iOS进阶02: Mach-O

一、什么是Mach-O文件？

Mach-O是 Mach Object文件格式的缩写，是 mac以及 iOS上可执行文件的格式，对应系统通过应用二进制接口（application binary interface,缩写为ABI）来运行该格式的的文件。Mach-O文件对应有多种格式：

目标文件.o
库文件： .a静态库文件 .dylib动态库文件 .framework文件，自己创建的为静态库文件
可执行文件
dyld动态链接器将依赖的动态库加载到内存
.dsym符号表

Mach-O格式用来替代BSD系统的a.out格式。Mach-O文件格式保存了在编译过程和链接过程中产生的机器代码和数据，从而为静态链接和动态链接的代码提供了单一文件格式。

clang单文件编译

在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：hello\n");
    return 0;
}

2、编译文件

clang -c main.c

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

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 main 查看文件信息，如下：
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4、执行文件

./a.out 或 ./main

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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");
}

2、在main.c中声明sleep方法并调用

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

3、编译为可执行文件

clang -o main main.c people.c

4、执行可执行文件./main, 运行结果如下：

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二、通用二进制文件（Universal binary）

在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

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通过以上配置真实编译出来的是包含arm64、armv7架构

通用二进制文件在哪呢？

在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。

从LoginApp.app中我获取可执行文件LoginApp

1、查看架构信息: lipo -info LoginApp

// 终端输出结果如下
Architectures in the fat file: LoginApp are: armv7 arm64

2、拆分armv7、arm64架构

lipo LoginApp -thin armv7 -output LoginApp_armv7
lipo LoginApp -thin arm64 -output LoginApp_arm64
// 终端输出结果如下
Non-fat file: LoginApp_armv7 is architecture: armv7
Non-fat file: LoginApp_arm64 is architecture: arm64

3、合并架构

lipo -create LoginApp_armv7 LoginApp_arm64 -output LoginApp_ALL

产生的可执行文件如图：

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三、Mach-O文件结构

官方图解：

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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segment，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LoginApp可执行文件，如下：

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结构体对齐

1、查看Macho headers

// 查看 Header，包括 Load commands
objdump --macho --private-headers LoginApp
otool -l ${MACHO_PATH}
// 只查看 Header
objdump --macho --private-header LoginApp
otool -h ${MACHO_PATH}

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在 Mach-O中定义了程序的入口main函数（定义在LC_MAIN的Load command命令），告诉动态链接器去加载程序的入口

// grep代表搜索， -A 5：向下输出5行
objdump --macho --private-headers LoginApp | grep "MAIN" -A 5

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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 */
};

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 */
};

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_command和segment_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 */
};

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

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
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主要有__TEXT和__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
__DATA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

总结

查看mach-header：
- objdump --macho -private-header ${MACHO_PATH}
- otool -h ${MACHO_PATH}
查看__TEXT: objdump --macho -d ${MACHO_PATH}
查看符号表: objdump --macho --syms ${MACHO_PATH}
查看导出符号表: objdump --macho --exports-trie ${MACHO_PATH}
查看间接符号表: objdump --macho --indirect-symbols ${MACHO_PATH}