Mach-O

1、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。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，本身建立的为静态库文件
3. 可执行文件及MDW.app内部的MDW文件（通用二进制文件）
4. dyld动态连接器将依赖的动态库加载到内存
5. .dsym符号表

在Xcode中咱们能够直接建立.c文件，经过终端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。

一、建立一个main.c文件以下：

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

二、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，经过命令file main.o查看文件信息以下：

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，并非可执行文件

三、生成可执行文件

• 命令clang main.o 会生成a.out文件，便可执行文件，经过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，以下：

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

四、执行文件

./a.out 或 ./main
复制代码

输出：

打印：yahibo
复制代码

以上步骤能够用来写c并编译执行。

多个文件是如何编译的呢？

开发中根据不一样功能模块咱们会分不少文件来实现，在clang中是能够对多个文件进行一次性打包，生成一个可执行文件。以下：

一、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

二、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

三、编译为可执行文件

clang -o main main.c people.c
复制代码

四、执行可执行文件

./main
复制代码

运行以下：

打印：yahibo
正在睡觉
复制代码

2、通用二进制文件（Universal binary）

在iOS中不一样手机对应着可能不一样的架构，如arm6四、armv七、armv7s。为了兼容不一样架构的手机，苹果推出了通用二进制文件，包含了应用程序经常使用的这些架构，所以通用二进制文件，比单一架构二进制文件要大不少。

架构选择

• 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arm6四、armv7
• 若是须要添加armv7s还须要在1处添加armv7s字符

经过以上配置真实编译出来的是包含arm6四、armv7架构，由于工程中使用了第三方静态库不包含armv7s所以这里配置为标准架构模式。

通用二进制文件在哪呢？

在xxx.app中的xxx黑色文件便是通用二进制文件，右键xxx.app显示包内容便可得到。

lipo命令

经过lipo命令能够查看、拆分及合并以上提出的架构，在作静态库时也会使用，来合并真机下和模拟器下的静态库，以适应不一样的调试环境。

• 从MDW.app中我获取可执行文件MDW

一、查看架构信息

lipo -info MDW
复制代码

打印以下：

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

二、拆分armv七、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

打印以下：

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

打印以下：

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

三、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

打印以下：

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

产生的可执行文件如图：

3、Mach-O文件结构

官方图解：

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肯定内存分布
• Data：数据段segement，包含具体代码、常量、类、方法等，有多个segment，每一个segment有0到多个section，每一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，以下：

• 胖二进制文件中包含了armv七、arm64架构
• 经过MachOView便可查看可执行文件的全部信息

一、Header

除了以上直接查看header，还能够经过otool命令查看header信息：

otool -f MDW
复制代码

打印以下：

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

或

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armv七、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，以下：

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，肯定是64位仍是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、连接有关

二、Load commands

Header以后是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，针对不一样架构有不一样的结构（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针对不一样架构的结构体，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，须要将它加载到对应的进程空间上
• LC_LOAD_DYLIB：这是一个须要动态加载的连接库，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，它属于连接信息，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：段页面所须要的最高内存保护（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：其余杂项标志位 在看MachOView中的loadcommands字段：

以上为是应用程序全部加载命令，经过上面流程可以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，以下图：

以上加载命令含义以下：

• LC_SEGMENT_64：将文件中的段映射到进程地址空间中
• LC_DYLD_INFO_ONLY：动态连接相关信息
• 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：连接器信息，记录使用那些连接器完成内核后序的加载工做
• LC_UUID：Mach-O文件的惟一标识
• LC_VERSION_MIN_MACOSX：支持最低操做系统版本
• 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经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

三、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：是动态连接的桩
• __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，都是经过section来对OC中的具体类别作加载的。segment段分32位和64位，字段相同，以64为例以下：

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：是__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：须要重定位的入口数量，0
• flags：包含section的type和attributes
• reserved一、reserved2预留字段