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iOS 逆向 - Mach-O文件

前言

前几篇文章中 :

shell 脚本自动重签名与代码注入

应用签名原理及重签名 (重签微信应用实战)

重签应用调试与代码修改 (Hook)

我们对重签名和代码注入有了一定的了解 . 那么这个过程中我们反复提到一个最重要的文件 -- Mach-O .

那么说来说去 , 这个Mach-O 到底是个什么 . 既然它这么重要 , 那么我们有必要去好好的了解一下它 .

( 对概念不太感兴趣的同学可以直接跳到第二章节 Mach-O 的文件结构 )

MachO 文件

Mach-O 其实是 Mach Object 文件格式的缩写,是 mac 以及 iOS 上可执行文件的格式, 类似于 windows 上的 PE 格式 ( Portable Executable ) , linux 上的 elf 格式 ( Executable and Linking Format ) .

它是一种用于可执行文件、目标代码、动态库的文件格式。作为 a.out 格式的替代,Mach-O 提供了更强的扩展性。

但是除了可执行文件外 , 其实还有一些文件也是使用的 Mach-O 的文件格式 .

属于 Mach-O 格式的常见文件

  • 目标文件 .o
  • 库文件
    • .a
    • .dylib
    • Framework
  • 可执行文件
  • dyld ( 动态链接器 )
  • .dsym ( 符号表 )

Tips : 使用 file 命令可以查看文件类型

也就是说 Mach-O 并非一定是可执行文件 , 它是一种文件格式 , 分为 Mach-O Object 目标文件 、 Mach-O ececutable 可执行文件、 Mach-O dynamically 动态库文件、 Mach-O dynamic linker 动态链接器文件、 Mach-O dSYM companion 符号表文件 , 等等 .

大家可以自己通过 vim 几个 .c , 然后 clang 生成 .o 目标文件和可执行文件来玩一下 , 以便更好地理解这几种文件以及其编译的模式 .

那么上图中我们还看到一个 arm64 , 这个是什么意思呢 ?

  • 在 release 模式下
  • 支持 iOS 11.0 系统版本以下

当满足这两个条件时 , 我们的应用打包出来的 Mach-O ececutable 可执行文件是包含 arm64 以及 arm_v7 的架构的 , iPhone 5C 以上机型都是 64 位系统了 .

那么包含了支持多架构的 Mach-O ececutable 可执行文件被称为 : 通用二进制文件 , 即多种架构都可读取运行 .

另外 Xcode 中通过编译设置 Architectures 是可以更改所生成的 Mach-O ececutable 可执行文件的支持架构的 .

编译器在生成 Mach-O 文件会选择 Architectures 以及 Valid Architectures 的交集 , 因此想要支持多架构的话 , 在Valid Architectures 中继续添加就可以了 , 编译生成 Mach-O 之后 , 使用 file 命令可以检查下结果 .

通用二进制文件

  • 苹果公司提出的一种程序代码。能同时适用多种架构的二进制文件

  • 同一个程序包中同时为多种架构提供最理想的性能。

  • 因为需要储存多种代码,通用二进制应用程序通常比单一平台二进制的程序要大。

  • 但是由于两种架构有共通的非执行资源,所以并不会达到单一版本的两倍之多。

  • 而且由于执行中只调用一部分代码,运行起来也不需要额外的内存。

通用二进制文件通常被称为 Universal binary , 在 MachOView 等 中叫做 Fat binary , 这种二进制文件是可以完全拆分开来 , 或者重新组合的 , 那么接下来我们来玩一下 .

Fat binary 的组合与拆分

1 - 新建工程 , 选择支持系统版本 10.3 .

2 - 编辑运行模式

选择 Release ( 测试完毕改回来 . 否则 run 太慢 )

3 - Build Settings

第一行是自带的环境变量 , 你自己也可以删掉自己写 , iOS 10.3 以上 + release 环境下会默认包含 arm64 + armv7 的架构 , 因此我们自己加上 armv7sarm64e .

4 - 选择真机 run

run 起来后找到 Mach-O 文件

可以看到 , 我们的 Fat binary 就已经生成好了 .

使用 lipo - info 命令也是可以查看支持架构的

拆分 Fat binary

lipo macho文件名称 -thin 要拆分哪个架构 -output 拆分出来文件名
复制代码

例:

lipo 通用二进制MachO_Test -thin armv7s -output macho_armv7s
复制代码

然后我们就看到文件夹多了一个 macho_armv7s , 查看一下 :

另外拆分后源文件并不会改变.

合并 Fat binary

lipo -create macho_arm64 macho_arm64e macho_armv7 macho_armv7s -output newMachO
复制代码

合并后我们来看下新生成的 和以前的文件的哈希值 .

一模一样的 .

Tips:

这种方式在我们合并静态库的时候会经常用到 , 因为静态库本身就是 Mach-O 文件嘛 , 另外我们在逆向的时候 , 有时也经常会用这种方法拆分二进制文件 , 因为我们只需要分析单一架构即可 , 无须肥大的二进制文件.

补充

另外稍微补充一点 , 多架构二进制文件组合成通用二进制文件时 , 代码部分是不共用的 ( 因为代码的二进制文件不同的组合在不同的 cpu 上可能会是不同的意义 ) . 而公共资源文件是会共用的 .

Mach-O 文件结构

Mach-O 的组成结构如图所示包括了

  • Header 包含该二进制文件的一般信息

    • 字节顺序、架构类型、加载指令的数量等。

    • 使得可以快速确认一些信息,比如当前文件用于 32 位还是 64 位,对应的处理器是什么、文件类型是什么

  • Load commands 一张包含很多内容的表

    • 内容包括区域的位置、符号表、动态符号表等。
  • Data 通常是对象文件中最大的部分

    • 包含 Segement 的具体数据

我们来找一个 Mach-O 文件 使用 MachOView 或者 otool 命令去查看一下文件结构 .

那么这个 Mach-O 到底这些部分存放的是什么内容 , 加下来我们就来一一探索一下 .

Mach Header

Header 中存储的内容大致如上图所示 , 那么每一条到底对应着什么呢 ? , 我们打开源码看一下, cmd + shift + o , 搜索 load.h , 找 mach_header_64 结构体.

struct mach_header_64 {
    uint32_t	magic;		/* 魔数,快速定位64位/32位 */
    cpu_type_t	cputype;	/* cpu 类型 比如 ARM */
    cpu_subtype_t	cpusubtype;	/* cpu 具体类型 比如arm64 , armv7 */
    uint32_t	filetype;	/* 文件类型 例如可执行文件 .. */
    uint32_t	ncmds;		/* load commands 加载命令条数 */
    uint32_t	sizeofcmds;	/* load commands 加载命令大小*/
    uint32_t	flags;		/* 标志位标识二进制文件支持的功能 , 主要是和系统加载、链接有关*/
    uint32_t	reserved;	/* reserved , 保留字段 */
};
复制代码

mach_header_64 相较于 mach_header , 也就是 32 位头文件 , 只是多了一个保留字段 . mach_header 是链接器加载时最先读取的内容 , 它决定了一些基础架构 , 系统类型 , 指令条数等信息.

Load Commands

Load Commands 详细保存着加载指令的内容 , 告诉链接器如何去加载这个 Mach-O 文件.

通过查看内存地址我们发现 , 在内存中 , Load Commands 是紧跟在 Mach_header 之后的 .

那么这些 Load Commands 对应了什么呢 ? 我们以 arm64 为例.

其中 _TEXT 段和 _DATA 段 , 是我们经常需要研究的 , MachOView 下面也有详细列出.

_TEXT 段

我们来看看 _TEXT 段里都存放了什么 , 其实真正开始读取就是从 _TEXT 段开始读取的 .

名称 内容
_text 主程序代码
_stubs , _stub_helper 动态链接
_objc_methodname 方法名称
_objc_classname 类名称
_objc_methtype 方法类型 ( v@: )
_cstring 静态字符串常量

_DATA 段

_DATA 在内存中是紧跟在 _TEXT 段之后的.

名称 内容
_got : Non-Lazy Symbol Pointers 非懒加载符号表
_la_symbol_ptr : Lazy Symbol Pointers 懒加载符号表
_objc_classlist 类列表

...

以及以一些数据源 就不一一列举了 .

补充

另外有一点值得提一下的就是系统库的方法 , 由于是公用的 , 存放在共享缓存中 , 那么我们的 Mach-O 中调用系统方法 ,

例如 : 调用 NSLog("%@,@"haha");

这个方法的实现肯定不在我们的 Mach-O 里 , 那么它如何找到方法实现呢 ?

其实就是 dyld 在进行链接的时候 , 会将 Mach-O 里调用存放在共享缓存中的方法进行符号绑定 , 而这个符号在 release 的时候是会被自动去掉的. 这也是我们经常使用收集 bug 工具时需要恢复符号表的原因. 而因此 fishhoohhook 系统函数的时候名字叫 reBind 的原因 .

关于符号绑定这一点我们在讲 fishhook 的时候会详细讲述一下 .

至此 , 整个 Mach-O 文件结构我们已经讲述完了 . 后续在逆向的过程中涉及到具体存储内容我们会继续介绍 .

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