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希望通過本文來記錄對(duì)于iOS開發(fā)對(duì)Mach-O需要有的基本了解。

蘋果推出Mach-O的背景：

過渡至基于 Mach 內(nèi)核的操作系統(tǒng)：蘋果于 2001 年推出了 macOS（當(dāng)時(shí)稱為 Mac OS X）操作系統(tǒng)，該操作系統(tǒng)采用了基于 Mach 內(nèi)核的架構(gòu)。為了適應(yīng)新的操作系統(tǒng)架構(gòu)，蘋果需要引入一種新的文件格式來支持該架構(gòu)，用于可執(zhí)行文件、靜態(tài)庫和動(dòng)態(tài)庫的存儲(chǔ)和交互。

提高性能和可擴(kuò)展性：Mach-O 文件格式相對(duì)于舊的目標(biāo)文件格式（如 a.out 格式）具有更好的性能和可擴(kuò)展性。它采用了更加緊湊和高效的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，使得應(yīng)用程序的加載、鏈接和執(zhí)行更高效。這在日益復(fù)雜的應(yīng)用程序和需求下變得尤為重要。

支持 Objective-C 和 Cocoa 框架：蘋果廣泛采用 Objective-C 編程語言和 Cocoa 框架來開發(fā) macOS 和 iOS 上的應(yīng)用程序。Mach-O 文件格式與 Objective-C 運(yùn)行時(shí)和 Cocoa 框架的集成緊密相關(guān)，使得開發(fā)者可以更好地利用這些技術(shù)進(jìn)行應(yīng)用程序開發(fā)。

跨平臺(tái)支持和移植性：Mach-O 文件格式不僅用于 macOS 和 iOS，還可以支持其他基于 Darwin 內(nèi)核的操作系統(tǒng)，如 tvOS 和 watchOS。這種一致的文件格式使得開發(fā)者可以更方便地在不同的蘋果平臺(tái)上共享和移植代碼，提高開發(fā)效率和代碼復(fù)用性。

操作系統(tǒng)集成：Mach-O 文件格式與蘋果操作系統(tǒng)的內(nèi)核（XNU）緊密集成。蘋果控制了 Mach-O 格式的規(guī)范和解析器，從而使得操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序可以更緊密地進(jìn)行交互和整合。

一、認(rèn)識(shí)Mach-O

在Xcode工程中，我們可以看到編譯設(shè)置里面有一個(gè)Mach-O type, 可以看到主工程的格式是Executable（可執(zhí)行文件）。

可執(zhí)行文件.png

而在組件化工程里，有一些本地或私有庫我們可能會(huì)在podspec中聲明s.static_framework = true，這樣就會(huì)是靜態(tài)庫；三方庫沒有這個(gè)聲明默認(rèn)是動(dòng)態(tài)庫。

靜態(tài)庫	動(dòng)態(tài)庫
假設(shè)本地庫Home模塊.png	AFNetworking.png

Mach-O 是 Mach Object的縮寫，它是Mac/iOS 中用于存儲(chǔ)程序、庫的標(biāo)準(zhǔn)格式。作為 a.out 格式的替代，Mach-O提供了更強(qiáng)的擴(kuò)展性，并提升了符號(hào)表中信息的訪問速度。

類型	代表文件
Executable(可執(zhí)行文件)	xxx.app/xxx、推送擴(kuò)展
Dynamic Library（動(dòng)態(tài)庫文件）	.dylib（一般是系統(tǒng)動(dòng)態(tài)庫）和 xxx.framework/xxx （三方動(dòng)態(tài)庫）
Bundle	一種特定結(jié)構(gòu)的文件夾，可以包含可執(zhí)行文件、動(dòng)態(tài)庫、靜態(tài)庫和各種資源文件，以及配置文件等，通常作為插件或擴(kuò)展。需通過dlopen加載。
Static Library	靜態(tài)庫文件(.a文件，是多個(gè).o文件的集合)，如pod庫聲明`s.static_framework = true`，產(chǎn)物是靜態(tài)框架
Relocatable Object File	目標(biāo)文件(.o文件，編譯源代碼得到的中間文件)

二、Mach-O的類型

1. 有哪些類型

我們可以在Xcode.app查看到Mach-O的類型定義如下，路徑為：
/Applications/Xcode.app/Contents/Developer/Platforms/MacOSX.platform/Developer/SDKs/MacOSX.sdk/usr/include/mach-o/loader.h

#define MH_OBJECT   0x1     /* relocatable object file */
#define MH_EXECUTE  0x2     /* demand paged executable file */
#define MH_FVMLIB   0x3     /* fixed VM shared library file */
#define MH_CORE     0x4     /* core file */
#define MH_PRELOAD  0x5     /* preloaded executable file */
#define MH_DYLIB    0x6     /* dynamically bound shared library */
#define MH_DYLINKER 0x7     /* dynamic link editor */
#define MH_BUNDLE   0x8     /* dynamically bound bundle file */
#define MH_DYLIB_STUB   0x9     /* shared library stub for static linking only, no section contents */
#define MH_DSYM     0xa     /* companion file with only debug  sections */
#define MH_KEXT_BUNDLE  0xb     /* x86_64 kexts */
#define MH_FILESET  0xc     /* a file composed of other Mach-Os to be run in the same userspace sharing a single linkedit. */
#define MH_GPU_EXECUTE  0xd     /* gpu program */
#define MH_GPU_DYLIB    0xe     /* gpu support functions */

2. 常見的Mach-O類型

MH_OBJECT：目標(biāo)文件即 .o 文件以及靜態(tài)庫文件即 .a 文件(多個(gè).o文件合并在一起)；
MH_EXECUTE：可執(zhí)行文件，即App編譯運(yùn)行后生成的可執(zhí)行文件，在/Products路徑下；
MH_DYLIB：動(dòng)態(tài)庫文件，即.dylib文件或者 .framework文件；
MH_DYLINKER：/usr/lib/dyld路徑下的dyld文件；
MH_DSYM：Xcode打包后生成的符號(hào)表文件，即.dSYM文件；

3. 如何查看mach-o文件類型

找到我們的APP后可通過命令行查看類型。

通過file命令

// 1.查看APP的可執(zhí)行文件
file xxx.app/xxx
輸出： Mach-O 64-bit executable arm64
// 2.查看pod三方庫的machO
file xxx.app/Frameworks/AFNetworking.framework/AFNetworking
輸出：Mach-O 64-bit dynamically linked shared library arm64

三、Mach-O文件結(jié)構(gòu)

項(xiàng)目	內(nèi)容
結(jié)構(gòu)圖	Mach-O文件結(jié)構(gòu).png
Header	包含Mach-O文件的基本信息，例如文件類型，支持的CPU架構(gòu)類型，加載指令的數(shù)量，所占內(nèi)存大小等
Load Command	不同數(shù)據(jù)段segment的加載命令，指導(dǎo)加載器加載數(shù)據(jù)
Data	在Load Command中定義的Segment的原始數(shù)據(jù)。

四、查看Mach-O的方式

使用MachOView：https://github.com/gdbinit/MachOView
otool命令

otool -l <file>：顯示 Mach-O 文件的加載命令信息。
otool -t <file>：顯示 Mach-O 文件的文本節(jié)信息。
otool -L <file>：顯示 Mach-O 文件的依賴庫信息。
使用 man otool 命令查看 otool 的幫助文檔

lipo命令

lipo -info 文件 // 查看架構(gòu)信息
lipo <file> -thin 目標(biāo)架構(gòu) -output 輸出文件 // 導(dǎo)出某種架構(gòu)
lipo <file1> <file2> -output 輸出文件 // 合并多個(gè)架構(gòu)

objdump命令

objdump --macho --private-headers <file>

五、文件結(jié)構(gòu)中各部分內(nèi)容細(xì)節(jié)

源碼頭文件地址：
/Applications/Xcode.app/Contents/Developer/Platforms/MacOSX.platform/Developer/SDKs/MacOSX.sdk/usr/include/mach-o/loader.h

1. Header

源碼中結(jié)構(gòu)

struct mach_header_64 {
    uint32_t    magic;      /* mach magic number identifier 確定是64位還是32位 */
    int32_t     cputype;    /* cpu specifier */
    int32_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 標(biāo)識(shí)二進(jìn)制文件所支持的功能，主要與系統(tǒng)的加載、鏈接有關(guān)*/
    uint32_t    reserved;   /* reserved */
};

// 通過otool命令查看一個(gè)Mach-O的頭部信息
otool -hv xxx
Mach header
      magic  cputype cpusubtype  caps    filetype ncmds sizeofcmds      flags
MH_MAGIC_64    ARM64        ALL  0x00     EXECUTE   138      13384   NOUNDEFS DYLDLINK TWOLEVEL WEAK_DEFINES BINDS_TO_WEAK PIE

2. Load Commands

這部分的作用是本質(zhì)就是確定如何加載段segment數(shù)據(jù)，主結(jié)構(gòu)是：

struct load_command {
    uint32_t cmd;       /* type of load command */
    uint32_t cmdsize;   /* total size of command in bytes */
};

可以通過MachOView來查看有哪些段命令.

項(xiàng)目	內(nèi)容
加載命令	加載命令段.png
LC_SEGMENT_64	segment段加載指令
LC_DYLD_INF0_0NLY	加載動(dòng)態(tài)鏈接庫信息（重定向地址、弱引用綁定、懶加載綁定、開放函數(shù)等的偏移值等信息）
...	...

2.1 其中`LC_SEGMENT_64`命令的結(jié)構(gòu)

struct segment_command { /* for 32-bit architectures */
    uint32_t    cmd;        /* LC_SEGMENT  加載命令的類型*/
    uint32_t    cmdsize;    /* includes sizeof section structs  加載命令的所占內(nèi)存大小*/
    char        segname[16];    /* segment name */
    uint32_t    vmaddr;     /* memory address of this segment 段Segment的虛擬內(nèi)存地址*/
    uint32_t    vmsize;     /* memory size of this segment 段Segment的虛擬內(nèi)存大小*/
    uint32_t    fileoff;    /* file offset of this segment 段Segment的在文件中的偏移量*/
    uint32_t    filesize;   /* amount to map from the file 段Segment在文件中所占的內(nèi)存大小*/
    vm_prot_t   maxprot;    /* maximum VM protection 表示頁面所需要的最高內(nèi)存保護(hù)*/
    vm_prot_t   initprot;   /* initial VM protection 表示頁面初始的內(nèi)存保護(hù)*/
    uint32_t    nsects;     /* number of sections in segment 段Segment包含節(jié)區(qū)sections的數(shù)量*/
    uint32_t    flags;      /* flags 表示段的標(biāo)志信息*/
}

結(jié)構(gòu)體中segname是加載目標(biāo)段Segment的名稱，常見的段segment有四個(gè)（可以從上面圖中看到）
__PAGEZERO : 在可執(zhí)行文件有的，動(dòng)態(tài)庫里沒有，這個(gè)段開始地址為0（NULL指針指向的位置），是一個(gè)不可讀、不可寫、不可執(zhí)行的空間，能夠在空指針訪問時(shí)拋出異常。
__TEXT：代碼段，里面主要是存放代碼的，該段是可讀可執(zhí)行，但是不可寫；
__DATA：數(shù)據(jù)段，里面主要是存放數(shù)據(jù)，該段是可讀可寫，但不可執(zhí)行；
__LINKEDIT：用于存放簽名信息，該段是只可讀，不可寫不可執(zhí)行；

2.1 每個(gè)命令包含的內(nèi)容

我們?cè)贛achOView展開LC_SEGMENT_64(__TEXT)或LC_SEGMENT_64(__DATA)，可以看到很多的section header. 這個(gè)是數(shù)據(jù)段和代碼段的各個(gè)section 的頭文件。

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 */
};

sectname：section的名稱，常見的section有_text、stubs等等；
segname：當(dāng)前section所隸屬的Segment，例如__TEXT(代碼段)；
addr： section在內(nèi)存的起始位置；
size： section所占內(nèi)存大??；
offset： section在文件中的偏移量；
align：字節(jié)大小對(duì)齊，2的align次方；
reloff：重定位入口的文件偏移；
nreloc：需要重定位的入口數(shù)量；
flags：包含section的type和attributes；

3. Data部分

Data部分主要放的是__Text段和__DATA段的數(shù)據(jù)，根據(jù)不同功能分為不同的節(jié)（section）。
段數(shù)據(jù)的頭部信息是存放在Load Commands中的.

段數(shù)據(jù)部分

代碼段和數(shù)據(jù)段的各個(gè)節(jié)分別代表什么可以通過這篇linkmap文章來了解
通過LinkMap來了解Mach-O

六、MachO里面各部分占用大小

我們還可以通過size命令行查看一個(gè)Mach-O大小信息:

// 假設(shè)app工程名xxx，
// -l 參數(shù)可以顯示目標(biāo)文件的完整節(jié)（section）和段（segment）信息
// -m 參數(shù)用于指定目標(biāo)文件的格式
size -l -m xxx.app/xxx 
輸出文件信息包含四個(gè)部分：
Segment __PAGEZERO
Segment __TEXT
Segment __DATA
Segment __LINKEDIT
具體的信息可以打印你APP的對(duì)照看

接下來看看每個(gè)段的打印信息具體是什么意思。

Segment __PAGEZERO: 4294967296 (zero fill) (vmaddr 0x0 fileoff 0)
該段信息指的是一個(gè)名為 __PAGEZERO 的段（segment），其大小為 4GB，對(duì)應(yīng)的是零填充的內(nèi)存。__PAGEZERO 段的虛擬內(nèi)存地址（vmaddr）為 0x0，文件偏移量（fileoff）為 0。

Segment __TEXT: 43319296 (vmaddr 0x100000000 fileoff 0)的意思?
該段信息指的是一個(gè)名為 __TEXT 的段（segment），其大小為約等于 41.31 MB。__TEXT 段的虛擬內(nèi)存地址（vmaddr）為 0x100000000，文件偏移量（fileoff）為 0。虛擬內(nèi)存地址指示了段在程序運(yùn)行時(shí)被加載到內(nèi)存的位置，而文件偏移量指示了段在目標(biāo)文件中的位置。

Segment __DATA: 5849088 (vmaddr 0x102950000 fileoff 43319296)
該段信息指的是一個(gè)名為 __DATA 的段（segment），其大小約等于 5.572 MB。__DATA 段的虛擬內(nèi)存地址（vmaddr）為 0x102950000，文件偏移量（fileoff）為 43319296。

Segment __LINKEDIT: 2736128 (vmaddr 0x102ee4000 fileoff 48840704)
該段信息指的是一個(gè)名為 __LINKEDIT 的段（segment），其大小約等于 2.61 MB。__LINKEDIT 段的虛擬內(nèi)存地址（vmaddr）為 0x102ee4000，文件偏移量（fileoff）為 48840704。

1. __PAGEZERO

在 Mach-O 文件格式中，__PAGEZERO 段用于標(biāo)識(shí)虛擬內(nèi)存空間的起始位置，并指示該段之前的內(nèi)存區(qū)域應(yīng)該被清零填充。__PAGEZERO（又稱為 Page Zero）是一個(gè)特殊的節(jié)（Section）名稱，它在 Mach-O（Mach Object）文件中定義了虛擬地址空間的第一個(gè)頁。它沒有任何實(shí)際的可執(zhí)行代碼或數(shù)據(jù)，僅作為一種占位符存在，用于確保虛擬內(nèi)存空間的連續(xù)性和保護(hù)。

一些主要的特點(diǎn)和作用如下：

安全保護(hù)：__PAGEZERO 節(jié)的存在是為了提供一種安全機(jī)制，用于檢測(cè)和防止針對(duì)軟件漏洞的攻擊。通過將可執(zhí)行文件或可加載文件的第一個(gè)頁設(shè)置為沒有權(quán)限的頁，可以防止非法訪問者利用指向第一個(gè)頁的指針進(jìn)行漏洞利用。
空節(jié)：__PAGEZERO 節(jié)本身不包含實(shí)際的代碼或數(shù)據(jù)。它的大小通常為0字節(jié)，所以在執(zhí)行時(shí)不會(huì)占用任何實(shí)際內(nèi)存。
地址空間布局：__PAGEZERO 節(jié)通常位于可執(zhí)行文件或可加載文件的開始位置，即位于虛擬地址空間的最低部分。它的存在確保了后續(xù)節(jié)的虛擬地址是從一個(gè)明確定義的位置開始的。

2.__TEXT

在 Mach-O 文件格式中，__TEXT 段包含了可執(zhí)行程序的實(shí)際代碼和只讀數(shù)據(jù)。它是二進(jìn)制文件中的一個(gè)重要段，存儲(chǔ)了程序的代碼段和只讀數(shù)據(jù)段。

3.__DATA

在 Mach-O 文件格式中，__DATA 段存儲(chǔ)了可執(zhí)行程序的靜態(tài)變量和全局變量等數(shù)據(jù)。它包含了程序在運(yùn)行時(shí)的可寫數(shù)據(jù)段，即存儲(chǔ)程序在運(yùn)行過程中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)的空間。

4. __LINKEDIT

在 Mach-O 文件格式中，__LINKEDIT 段存儲(chǔ)與鏈接器相關(guān)的信息，比如符號(hào)表、重定位信息等。鏈接器主要負(fù)責(zé)將不同的目標(biāo)文件合并成可執(zhí)行文件，__LINKEDIT 段存儲(chǔ)與該過程相關(guān)的一些信息，因此該段也被稱為鏈接器的信息段。

具體來說，__LINKEDIT 段包含以下內(nèi)容：

符號(hào)表（Symbol Table）：用于存儲(chǔ)程序中定義和引用的各種符號(hào)（變量、函數(shù)、類等）的信息，鏈接器通過符號(hào)表進(jìn)行符號(hào)解析和重定位等操作。
字符串表（String Table）：存儲(chǔ)符號(hào)表中的字符串，用于標(biāo)識(shí)符號(hào)的名稱。
動(dòng)態(tài)符號(hào)表（Dynamic Symbol Table）：包含一些在運(yùn)行時(shí)動(dòng)態(tài)加載的符號(hào)信息。
重定位表（Relocation Table）：存儲(chǔ)在鏈接過程中需要進(jìn)行地址重定位的部分，包括指令中需要修改的地址和重定位類型等信息。
__LINKEDIT 段的存在使得鏈接器能夠在程序運(yùn)行時(shí)解析和重定位符號(hào)，從而正確地連接和加載各種模塊。

相關(guān)資料：
Mach-O入門理解
 Mach-O
iOS逆向06 -- Mach-O

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iOS中Mach-O概覽

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一、認(rèn)識(shí)Mach-O

二、Mach-O的類型

1. 有哪些類型

2. 常見的Mach-O類型

3. 如何查看mach-o文件類型

三、Mach-O文件結(jié)構(gòu)

四、查看Mach-O的方式

五、文件結(jié)構(gòu)中各部分內(nèi)容細(xì)節(jié)

1. Header

2. Load Commands

2.1 其中`LC_SEGMENT_64`命令的結(jié)構(gòu)

2.1 每個(gè)命令包含的內(nèi)容

3. Data部分

六、MachO里面各部分占用大小

1. __PAGEZERO

2.__TEXT

3.__DATA

4. __LINKEDIT

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iOS中Mach-O概覽

一、認(rèn)識(shí)Mach-O

二、Mach-O的類型

1. 有哪些類型

2. 常見的Mach-O類型

3. 如何查看mach-o文件類型

三、Mach-O文件結(jié)構(gòu)

四、查看Mach-O的方式

五、文件結(jié)構(gòu)中各部分內(nèi)容細(xì)節(jié)

1. Header

2. Load Commands

2.1 其中LC_SEGMENT_64命令的結(jié)構(gòu)

2.1 每個(gè)命令包含的內(nèi)容

3. Data部分

六、MachO里面各部分占用大小

1. __PAGEZERO

2.__TEXT

3.__DATA

4. __LINKEDIT

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一、認(rèn)識(shí)Mach-O

三、Mach-O文件結(jié)構(gòu)

五、文件結(jié)構(gòu)中各部分內(nèi)容細(xì)節(jié)

2.1 其中`LC_SEGMENT_64`命令的結(jié)構(gòu)

六、MachO里面各部分占用大小