趣探 Mach-O:文件格式分析

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作者 Joy___
2016.09.04 22:21* 字数 1458

本文所读的源码,可以从这里找到,这是 Mach-O 系列的第一篇

我们的程序想要跑起来,肯定它的可执行文件格式要被操作系统所理解,比如 ELFLinux下可执行文件的格式,PE32/PE32+windows的可执行文件的格式,那么对于OS XiOS 来说 Mach-O 是其可执行文件的格式。

我们平时了解到的可执行文件、库文件、Dsym文件、动态库、动态连接器都是这种格式的。Mach-O 的组成结构如下图所示包括了HeaderLoad commandsData(包含Segement的具体数据)


Header 的结构

Mach-O的头部,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

可以拿下面的代码做一个例子

#include <stdio.h>

int main(int argc, const char * argv[]) {
    // insert code here...
    printf("Hello, World!\n");
    return 0;
}

在终端执行以下命令,可以生成一个可执行文件a.out

192:Test Joy$ gcc -g main.c

我们可以使用MachOView(是一个查看MachO 格式文件信息的开源工具)来查看
.out文件的具体格式如何


看到这里肯定有点懵比,不知道这是什么东西,下面看一下 header的数据结构

32位结构

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 */
};

64位架构

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 */
};

32位和64位架构的头文件,没有太大的区别,只是64位多了一个保留字段罢了

  • magic:魔数,用于快速确认该文件用于64位还是32位
  • cputype:CPU类型,比如 arm
  • cpusubtype:对应的具体类型,比如arm64、armv7
  • filetype:文件类型,比如可执行文件、库文件、Dsym文件,demo中是2 MH_EXECUTE,代表可执行文件
 * Constants for the filetype field of the mach_header
 */
#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 */
#define    MH_DSYM        0xa        /* companion file with only debug */
#define    MH_KEXT_BUNDLE    0xb        /* x86_64 kexts */
  • ncmds :加载命令条数
  • sizeofcmds:所有加载命令的大小
  • reserved:保留字段
  • flags:标志位,刚才demo中显示的都在这里了,其余的有兴趣可以阅读 mach o源码
#define    MH_NOUNDEFS    0x1        // 目前没有未定义的符号,不存在链接依赖
#define    MH_DYLDLINK    0x4        // 该文件是dyld的输入文件,无法被再次静态链接
#define    MH_PIE 0x200000        // 加载程序在随机的地址空间,只在 MH_EXECUTE中使用
#define    MH_TWOLEVEL    0x80    // 两级名称空间

随机地址空间

进程每一次启动,地址空间都会简单地随机化。

对于大多数应用程序来说,地址空间随机化是一个和他们完全不相关的实现细节,但是对于黑客来说,它具有重大的意义。

如果采用传统的方式,程序的每一次启动的虚拟内存镜像都是一致的,黑客很容易采取重写内存的方式来破解程序。采用ASLR可以有效的避免黑客攻击。

dyld

动态链接器,他是苹果开源的一个项目,可以在这里下载,当内核执行LC_DYLINK(后面会说到)时,连接器会启动,查找进程所依赖的动态库,并加载到内存中。

二级名称空间

这是dyld的一个独有特性,说是符号空间中还包括所在库的信息,这样子就可以让两个不同的库导出相同的符号,与其对应的是平坦名称空间

Load commands 结构

Load commands紧跟在头部之后,这些加载指令清晰地告诉加载器如何处理二进制数据,有些命令是由内核处理的,有些是由动态链接器处理的。在源码中有明显的注释来说明这些是动态连接器处理的。

这里列举几个看上去比较熟悉的....

// 将文件的32位或64位的段映射到进程地址空间
#define    LC_SEGMENT    0x1    
#define    LC_SEGMENT_64    0x19    

// 唯一的 UUID,标示二进制文件
#define    LC_UUID        0x1b    /* the uuid */

// 刚才提到的,启动动态加载连接器
#define    LC_LOAD_DYLINKER 0xe    /* load a dynamic linker */

// 代码签名和加密
#define    LC_CODE_SIGNATURE 0x1d    /* local of code signature */
#define    LC_ENCRYPTION_INFO 0x21    /* encrypted segment information */

load command的结构如下

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

通过 MachOView来继续查看刚才Demo中的Load commands的一些细节,LC_SEGMENT_64LC_SEGMENT是加载的主要命令,它负责指导内核来设置进程的内存空间


  • cmd:就是Load commands的类型,这里LC_SEGMENT_64代表将文件中64位的段映射到进程的地址空间。LC_SEGMENT_64LC_SEGMENT的结构差别不大,下面只列举一个,有兴趣可以阅读源码
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 */
};
  • cmdsize:代表load command的大小
  • VM Address :段的虚拟内存地址
  • VM Size : 段的虚拟内存大小
  • file offset:段在文件中偏移量
  • file size:段在文件中的大小

将该段对应的文件内容加载到内存中:从offset处加载 file size大小到虚拟内存 vmaddr处,由于这里在内存地址空间中是_PAGEZERO段(这个段不具有访问权限,用来处理空指针)所以都是零

还有图片中的其他段,比如_TEXT对应的就是代码段,_DATA对应的是可读/可写的数据,_LINKEDIT是支持dyld的,里面包含一些符号表等数据

  • nsects:标示了Segment中有多少secetion
  • segment name:段的名称,当前是__PAGEZERO

Segment & Section

这里有个命名的问题,如下图所示,__TEXT代表的是Segment,小写的__text代表 Section


Section的数据结构

struct section { /* for 32-bit architectures */
    char        sectname[16];    /* name of this section */
    char        segname[16];    /* segment this section goes in */
    uint32_t    addr;        /* memory address of this section */
    uint32_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) */
};
  • sectname:比如_textstubs
  • segname :section所属的segment,比如__TEXT
  • addr :section在内存的起始位置
  • size:section的大小
  • offset:section的文件偏移
  • align :字节大小对齐
  • reloff :重定位入口的文件偏移
  • nreloc: 需要重定位的入口数量
  • flags:包含sectiontypeattributes

发现很多底层知识都是以 Mach-O为基础的,所以最近打算花时间结合Mach-O做一些相对深入的总结,比如符号解析、bitcode、逆向工程等,加油吧

参考链接

iOS Develop