阅读 180

Mach-O

一、什么是Mach-O文件?

Mach-OMach Object文件格式的缩写,是mac以及iOS上可执行文件的格式。Mach-O文件对应有多种格式:

  1. 目标文件.o
  2. 库文件: .a静态库文件 .dylib动态库文件 .framework系统级为动态库文件,自己创建的为静态库文件
  3. 可执行文件及MDW.app内部的MDW文件(通用二进制文件)
  4. dyld动态链接器将依赖的动态库加载到内存
  5. .dsym符号表

Xcode中我们可以直接创建.c文件,通过终端clang命令来对.c文件进行编译或生成可执行文件,下面看一下clang怎样使用的。

1、创建一个main.c文件如下:

#include <stdio.h>
int main(){
    printf("打印:yahibo\n");
    return 0;
}
复制代码

2、编译文件

clang -c main.c
复制代码

会生成main.o文件,该文件即为mach-o文件,通过命令file main.o查看文件信息如下:

main.o: Mach-O 64-bit object x86_64
复制代码

是一个object类型的文件称为目标文件,并不是可执行文件

3、生成可执行文件

  • 命令clang main.o 会生成a.out文件,即可执行文件,通过ls查看
  • 命令clang -o main main.o 也会生成可执行文件main
  • 命令clang -o main main.c 直接根据源文件生成可执行文件main
  • 命令 size -x -l -m a.out 查看文件信息,如下:
Segment __PAGEZERO: 0x100000000 (vmaddr 0x0 fileoff 0)
Segment __TEXT: 0x1000 (vmaddr 0x100000000 fileoff 0)
	Section __text: 0x2a (addr 0x100000f50 offset 3920)
	Section __stubs: 0x6 (addr 0x100000f7a offset 3962)
	Section __stub_helper: 0x1a (addr 0x100000f80 offset 3968)
	Section __cstring: 0x11 (addr 0x100000f9a offset 3994)
	Section __unwind_info: 0x48 (addr 0x100000fac offset 4012)
	total 0xa3
Segment __DATA: 0x1000 (vmaddr 0x100001000 fileoff 4096)
	Section __nl_symbol_ptr: 0x10 (addr 0x100001000 offset 4096)
	Section __la_symbol_ptr: 0x8 (addr 0x100001010 offset 4112)
	total 0x18
Segment __LINKEDIT: 0x1000 (vmaddr 0x100002000 fileoff 8192)
total 0x100003000
复制代码

4、执行文件

./a.out 或 ./main
复制代码

输出:

打印:yahibo
复制代码

以上步骤可以用来写c并编译执行。

多个文件是如何编译的呢?

开发中根据不同功能模块我们会分很多文件来实现,在clang中是可以对多个文件进行一次性打包,生成一个可执行文件。如下:

1、新建一个功能文件

people.c

#include <stdio.h>
void sleep(){
    printf("正在睡觉\n");
}
复制代码

2、在main.c中声明sleep方法并调用

void sleep();//声明方法
int main(){
    printf("打印:yahibo\n");
    sleep();//调用方法
    return 0;
}
复制代码

3、编译为可执行文件

clang -o main main.c people.c
复制代码

4、执行可执行文件

./main
复制代码

运行如下:

打印:yahibo
正在睡觉
复制代码

二、通用二进制文件(Universal binary)

iOS中不同手机对应着可能不同的架构,如arm64、armv7、armv7s。为了兼容不同架构的手机,苹果推出了通用二进制文件,包含了应用程序常用的这些架构,因此通用二进制文件,比单一架构二进制文件要大很多。

架构选择

arm.png

  • 注意以上标记的两处取交集,来确认最终架构
  • 1处默认架构为arm64、armv7
  • 如果需要添加armv7s还需要在1处添加armv7s字符

通过以上配置真实编译出来的是包含arm64、armv7架构,因为工程中使用了第三方静态库不包含armv7s因此这里配置为标准架构模式。

通用二进制文件在哪呢?

xxx.app中的xxx黑色文件即是通用二进制文件,右键xxx.app显示包内容即可获得。

lipo命令

通过lipo命令可以查看、拆分及合并以上提出的架构,在做静态库时也会使用,来合并真机下和模拟器下的静态库,以适应不同的调试环境。

  • MDW.app中我获取可执行文件MDW

1、查看架构信息

lipo -info MDW
复制代码

打印如下:

Architectures in the fat file: MDW are: armv7 arm64
复制代码

2、拆分armv7、arm64架构

lipo MDW -thin armv7 -output MDW_armv7
lipo MDW -thin arm64 -output MDW_arm64
复制代码

查看armv7信息:

lipo -info MDW_armv7
复制代码

打印如下:

Non-fat file: MDW_armv7 is architecture: armv7
复制代码

查看arm64信息:

lipo -info MDW_arm64
复制代码

打印如下:

Non-fat file: MDW_arm64 is architecture: arm64
复制代码

3、合并架构

lipo -create MDW_armv7 MDW_arm64 -output MDW_ALL
复制代码

查看合并后的信息

lipo -info MDW_ALL
复制代码

打印如下:

Architectures in the fat file: MDW_ALL are: armv7 arm64
复制代码

产生的可执行文件如图:

mackos.png

三、Mach-O文件结构

官方图解:

structure.png

文件分为三个部分:

  • Header:包含Mach-O文件的基本信息,字节顺序、架构类型、加载指令的数量等
  • Load commands:包含区域位置、符号表、动态符号表,加载Mach-O文件时使用这里的数据确定内存分布
  • Data:数据段segement,包含具体代码、常量、类、方法等,有多个segment,每个segment有0到多个section,每个段有一个虚拟地址映射到进程的地址空间

直接使用MachOView打开MDW可执行文件,如下:

macho.png

  • 胖二进制文件中包含了armv7、arm64架构
  • 通过MachOView即可查看可执行文件的所有信息

1、Header

除了以上直接查看header,还可以通过otool命令查看header信息:

otool -f MDW
复制代码

打印如下:

Fat headers
fat_magic 0xcafebabe
nfat_arch 2
architecture 0
    cputype 12
    cpusubtype 9
    capabilities 0x0
    offset 16384
    size 7587424
    align 2^14 (16384)
architecture 1
    cputype 16777228
    cpusubtype 0
    capabilities 0x0
    offset 7618560
    size 8748384
    align 2^14 (16384)
复制代码

otool -h MDW
复制代码

打印:

Mach header
      magic cputype cpusubtype  caps    filetype ncmds sizeofcmds      flags
 0xfeedface      12          9  0x00           2    48       5080 0x00210085
Mach header
      magic cputype cpusubtype  caps    filetype ncmds sizeofcmds      flags
 0xfeedfacf 16777228          0  0x00           2    48       5752 0x00210085
复制代码
  • 以上打印的两段分别是armv7、arm64架构下的header信息 在objc4源码loader.h文件中有mach_header的结构体定义,如下:
struct mach_header {
 	uint32_t	magic;		/* mach magic number identifier */
 	cpu_type_t	cputype;	/* cpu specifier */
 	cpu_subtype_t	cpusubtype;	/* machine specifier */
 	uint32_t	filetype;	/* type of file */
 	uint32_t	ncmds;		/* number of load commands */
 	uint32_t	sizeofcmds;	/* the size of all the load commands */
 	uint32_t	flags;		/* flags */
};
struct mach_header_64 {
 	uint32_t	magic;		/* mach magic number identifier */
 	cpu_type_t	cputype;	/* cpu specifier */
 	cpu_subtype_t	cpusubtype;	/* machine specifier */
 	uint32_t	filetype;	/* type of file */
 	uint32_t	ncmds;		/* number of load commands */
 	uint32_t	sizeofcmds;	/* the size of all the load commands */
 	uint32_t	flags;		/* flags */
 	uint32_t	reserved;	/* reserved */
};
复制代码
  • magic:魔数,确定是64位还是32位
  • cputype:cpu类型
  • cpusubtype:cpu子类型
  • filetype:Mach-O支持多种文件类型,使用filetype来标注具体文件类型
  • ncmds:加载命令的数量
  • sizeofcmds:命令区域(load commands)总的字节大小
  • flags:标识二进制文件所支持的功能,主要与系统的加载、链接有关

2、Load commands

Header之后是load commands段为加载命令段,在header结构体中有对加载命令段相关信息的描述,用于解析加载命令。在objc4源码loader.h中,有对loadcommand的定义:

struct load_command {
 	uint32_t cmd;		/* type of load command */
 	uint32_t cmdsize;	/* total size of command in bytes */
};
复制代码
  • cmd:命令类型,针对不同架构有不同的结构(32位、64位)
  • cmdsize:命令所占字节大小(32位size必须为4字节的倍数,64位size必须为8字节的倍数) 在文件中有两个结构体segment_commandsegment_command_64针对不同架构的结构体,内部设置字段相同。以segment_command_64为例:
struct segment_command_64 { /* for 64-bit architectures */
 	uint32_t	cmd;		/* LC_SEGMENT_64 */
 	uint32_t	cmdsize;	/* includes sizeof section_64 structs */
 	char		segname[16];	/* segment name */
 	uint64_t	vmaddr;		/* memory address of this segment */
 	uint64_t	vmsize;		/* memory size of this segment */
 	uint64_t	fileoff;	/* file offset of this segment */
 	uint64_t	filesize;	/* amount to map from the file */
 	vm_prot_t	maxprot;	/* maximum VM protection */
 	vm_prot_t	initprot;	/* initial VM protection */
 	uint32_t	nsects;		/* number of sections in segment */
 	uint32_t	flags;		/* flags */
};
复制代码
  • cmd:加载命令类型
  • LC_SEGMENT:表示这好似一个段加载命令,需要将它加载到对应的进程空间上
  • LC_LOAD_DYLIB:这是一个需要动态加载的链接库,它使用dylib_command结构体表示
  • LC_MAIN:记录了可执行文件的主函数main()的位置,它使用entry_point_command结构体表示
  • LC_CODE_SIGNATURE:代码签名的加载命令,描述了Mach-O的代码签名信息,它属于链接信息,使用linkedit_data_command结构体表示
  • cmdsize:加载命令所占内存大小
  • segname:存放16字节大小的段名字,当前是__PAGEZERO
  • vmaddr:段的虚拟内存起始地址
  • vmsize:段的虚拟内存大小
  • fileoff:段在文件中偏移量
  • filesize:段在文件大小
  • maxprot:段页面所需要的最高内存保护(4=r,2=w,1=x)
  • initprot:段页面初始的内存保护
  • nsects:段中包含section的数量
  • flags:其他杂项标志位 在看MachOView中的loadcommands字段:

loadcommands.png

以上为是应用程序所有加载命令,通过上面流程能够看到对系统库的加载顺序。对比项目中引入的库文件,顺序是一致的,如下图:

xcode.png

以上加载命令含义如下:

  • LC_SEGMENT_64:将文件中的段映射到进程地址空间中
  • LC_DYLD_INFO_ONLY:动态链接相关信息
  • LC_SYMTAB:符号表信息,位置、偏移、数据个数,供dyld使用
  • LC_DYSYMTAB:动态符号表信息,供dyld使用
  • LC_LOAD_DYLINKER:链接器信息,记录使用那些链接器完成内核后序的加载工作
  • LC_UUID:Mach-O文件的唯一标识
  • LC_VERSION_MIN_MACOSX:支持最低操作系统版本
  • LC_SOURCE_VERSION:源代码的版本号
  • LC_MAIN:设置主线程的入口即栈大小
  • LC_LOAD_DYLIB:依赖库信息,dyld通过该命令去加载依赖库
  • LC_FUNCTION_STARTS:函数的起始地址表
  • LC_CODE_SIGNATURE:代码签名

3、Data

Data区域由Segment段和Section节组成:

segment.png

  • segment主要有__TEXT__DATA组成
  • __text:是主程序代码
  • __stubs、__stub_helper:是动态链接的桩
  • __cstring:程序中c语言字符串
  • __const:常量

Section含义:

  • Section64(__TEXT,__objc_methname):OC类名
  • Section64(__DATA,__objc_classlist):OC类列表
  • Section64(__DATA,__objc_protollist):OC原型列表
  • Section64(__DATA,__objc_imageinfo):OC镜像信息
  • Section64(__DATA,__objc_selfrefs):OC类自引用
  • Section64(__DATA,__objc_superrefs):OC类超类的引用
  • Section64(__DATA,__ivar):OC类成员变量

等等,都是通过section来对OC中的具体类别做加载的。segment段分32位和64位,字段相同,以64为例如下:

struct section_64 { /* for 64-bit architectures */
 	char		sectname[16];	/* name of this section */
 	char		segname[16];	/* segment this section goes in */
 	uint64_t	addr;		/* memory address of this section */
 	uint64_t	size;		/* size in bytes of this section */
 	uint32_t	offset;		/* file offset of this section */
 	uint32_t	align;		/* section alignment (power of 2) */
 	uint32_t	reloff;		/* file offset of relocation entries */
 	uint32_t	nreloc;		/* number of relocation entries */
 	uint32_t	flags;		/* flags (section type and attributes)*/
 	uint32_t	reserved1;	/* reserved (for offset or index) */
 	uint32_t	reserved2;	/* reserved (for count or sizeof) */
 	uint32_t	reserved3;	/* reserved */
};
复制代码
  • sectname:__text ,就是主程序代码
  • segname:该section所属的segment名,第一个是__TEXT
  • addr:当前section在内存中的起始位置
  • size:当前section所占内存大小
  • offset:当前section的文件偏移
  • align:字节大小对齐
  • reloff:重定位入口的文件偏移,0
  • nreloc:需要重定位的入口数量,0
  • flags:包含sectiontypeattributes
  • reserved1、reserved2预留字段
关注下面的标签,发现更多相似文章
评论