iOS逆向(5)-不知MachO怎敢说自己懂DYLD

在上篇文章代码注入,窃取微信密码中咱们已经简单的提到了MachO,在用Framework做代码注入的时候,必须先向MachO的Load Commons中插入该Framework的的相对路径,让我们的iPhone在执行MachO的时候能够识别并加载Framework!

窥一斑而知全豹,从这些许内容其实已经可以了解到MachO在我们APP中的地位是多么的重要。同样,在咱们逆向的实践中,MachO也是一道绕不过去门槛!

老规矩,片头先上福利:点击下载demo
这篇文章会用到的工具有:

废话不多说,本篇文章将会从以下几点细说到底什么是MachO!

  • 什么是MachO
  • MachO的文件结构
  • 从DYLD源码的角度看APP启动流程 (重点!!!)

一、什么是MachO

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)

1、常见的MachO文件

a、目标文件:.o
b、库文件:.a .dylib Framework
c、可执行文件:dyld .dsym

2、如何查看文件格式

我们可以通过file指令查看文件的具体格式


file指令.png

目前已知的架构分为armv7,armv7s,arm64,i386,x86_64等等,MachO中其实也是这些架构的集合。可以随意建立一个空工程:Dome1(空工程就不给Demo了)

查看Build出的Dome1.ipa中的MachO


x86架构MachO.png

将最低版本设置为iOS 12,用release打包出的Dome1.ipa中的MachO


arm64架构MachO.png

将最低版本设置为iOS 8,用release打包出的Dome1.ipa中的MachO


多架构MachO.png

从上面三张图就可以确定MachO可以是多架构的二进制文件,称之为「通用二进制文件」

通用二进制文件是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
a. 同一个程序包中同时为多种架构提供最理想的性能。
b. 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。
c. 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。
d. 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。

注:其实除了更改最低版本号可以改变MachO的架构,在XCode的中也可以主动设置


主动修改架构.png

3、拆分、重组MachO

// 使用lipo -info 可以查看MachO文件包含的架构
$ lipo -info MachO文件
// 使用lipo –thin 拆分某种架构
$ lipo MachO文件 –thin 架构 –output 输出文件路径
// 使用lipo -create  合并多种架构
$ lipo -create MachO1  MachO2  -output 输出文件路径
拆分,重组MachO.png

二、MachO的文件结构

先上一张官网图:


MachO的文件结构.png

MachO分为三部分结构:Header、Load Commons、Data

1、Header

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

本文从两个视角分析Header,分别是「用MachOView可视化后直观的查看」和「系统源码解析」

  • 用MachOView可视化后直观的查看
    上篇文章已经讲过使用MacOView可以直接查看一个MachO文件,如下图


    MachO-Header.png
  • 系统源码解析
    在MachO的源码文件中同样有对应的字段。如下图:


    MachO-Header源码.png

2、Load Commons

Load commands是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。

MachO-LoadCommons.png

上图Load Commons中的大部分字段在下表中可以找到相关的含义。

名称 含义
LC_SEGMENT_64 将文件中(32位或64位)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 符号地址
LC_DYSYMTAB 动态符号表地址
LC_LOAD_DYLINKER 使用谁加载,我们使用dyld
LC_UUID 文件的UUID
LC_VERSION_MIN_MACOSX 支持最低的操作系统版本
LC_SOURCE_VERSION 源代码版本
LC_MAIN 设置程序主线程的入口地址和栈大小
LC_LOAD_DYLIB 依赖库的路径,包含三方库
LC_FUNCTION_STARTS 函数起始地址表
LC_CODE_SIGNATURE 代码签名

其中LC_LOAD_DYLINKERLC_LOAD_DYLIB

  • LC_LOAD_DYLINKER
    该字段标明我们的MachO是被谁加载进去的。
    可以理解为LC_LOAD_DYLINKER指向的地址是微信APP加载小程序的引擎,而我们的MachO是小程序。在上图中可以看到我们的Demo1的LC_LOAD_DYLINKER指向的地址就是dylddyld确实是用来加载我们app的,在下面一节将会对dyld的源码进行分析,讲述dyld是如何对MachO进行加载的。

  • LC_LOAD_DYLIB
    该字段标记了所有动态库的地址,只有在LC_LOAD_DYLIB中有标记,我们MachO外部的动态库(如:Framework)才能被dyld正确的引用,否则dyld不会主动加载,这也是上篇文章,代码注入的关键所在!

3、Data

Data 通常是对象文件中最大的部分,包含Segement的具体数据,如静态C字符串,带参数/不带参数的OC方法,带参数/不带参数的C函数。

在Demo1中编写一下代码

  • 静态C字符串
  • 静态OC字符串
  • 带参数的OC方法
  • 不带参数的OC方法
  • 带参数的C函数
  • 不带参数的C函数
    如图:
    代码.png

查看MachO中对应的Data段:cstring,methname,如下两图:

MachO-字符串.png

MachO-方法名.png

可以看到,全局静态C字符(myCString),方法里面的字符串(myCFuncAString:%d,myCFuncString,%s,myOCFuncAString:%s,myOCFuncString:%s)都被保存在data段的cstring里了,哪怕是%d,%s等等这样的参数类型字符串也被保存在内。但所有同样的字符串只会被保存一次。
同样所有的OC方法都被保存在methname里了。

这里有个问题:
在这两个表中并没有看到全局的静态OC字符串(myOCString)和C函数(myCFuncA(int a),myCFunc())这里为什么没有?他们应该会被以是形式保存在哪里?

上面用cstringmethname距离了data段的作用,同样的所有类名,协议名等也是以同样形式存储在这。

上面已经对MachO有了一个大概的了解,接下来本文就对dyld这么一个重要的东西进行一个初探。

三、从DYLD源码的角度看APP启动流程

1、在main函数中断点查看

首先思考,在main函数中挂断点能不能查看到APP启动对应的堆栈?
这部分其实靠想,靠猜测很难有答案,我们直接用XCode直接尝试:

main断点.png

可以看到在main函数断点并不能看到启动的对应堆栈,说明main函数也是被别人调用的,而不是处于app启动的堆栈中。
既然main查不到启动堆栈,那么比app更早执行的load方式是否可以找得到呢?

2、在load方法中断点查看

同样的,直接XCode调试:


load断点.png

在这可以发现更多的信息,比如在堆栈底部的汇编(这里用的是手机调试,所以是arm64架构)可以很明显的发现,是调用了用dyld中的dyldbootstrap文件中的start方法。
马不停蹄,打开dyld源码,找到对应的dyldbootstrap文件中的start函数。
点击这里下载dyld源码

3、在dyldbootstrap中查看start函数

//
//  This is code to bootstrap dyld.  This work in normally done for a program by dyld and crt.
//  In dyld we have to do this manually.
//
uintptr_t start(const struct macho_header* appsMachHeader, int argc, const char* argv[], 
                intptr_t slide, const struct macho_header* dyldsMachHeader,
                uintptr_t* startGlue)
{
    // if kernel had to slide dyld, we need to fix up load sensitive locations
    // we have to do this before using any global variables
    // 滑块,ASLR技术,地址偏移,是MachO文件在内存中的地址重定向
    slide = slideOfMainExecutable(dyldsMachHeader);
    bool shouldRebase = slide != 0;
#if __has_feature(ptrauth_calls)
    shouldRebase = true;
#endif
    if ( shouldRebase ) {
        // 重定向
        rebaseDyld(dyldsMachHeader, slide);
    }

    // allow dyld to use mach messaging
    // 消息初始化
    mach_init();

    // kernel sets up env pointer to be just past end of agv array
    const char** envp = &argv[argc+1];
    
    // kernel sets up apple pointer to be just past end of envp array
    const char** apple = envp;
    while(*apple != NULL) { ++apple; }
    ++apple;

    // set up random value for stack canary
    // 栈溢出保护
    __guard_setup(apple);

#if DYLD_INITIALIZER_SUPPORT
    // run all C++ initializers inside dyld
    runDyldInitializers(dyldsMachHeader, slide, argc, argv, envp, apple);
#endif

    // now that we are done bootstrapping dyld, call dyld's main
    // 正在的启动函数,在dyld中的_main函数中
    uintptr_t appsSlide = slideOfMainExecutable(appsMachHeader);
    return dyld::_main(appsMachHeader, appsSlide, argc, argv, envp, apple, startGlue);
}

从start函数的源码可得知道:dlyd会内存中找到一块地址给MachO使用,也就是ASLR,内存偏移。
最后start函数执行了一个main函数(这个可以不是我们app中的main函数,而是dyld的)并返回。同样的,我们不能只蹭一蹭,要进去干!

4、在dlyd中查看main函数

这个函数厉害了,如下图,足足快500行了!


dyld的main函数.png

我们抓住其中的关键代码,足步分析在main函数之前dyld到底帮我们做了哪一些事情。

1、配置环境变量

从main函数的初始,到函数getHostInfo()之前都是在配置一些环境变量,已经一些线程相关的,涉及内容太过底层,这就不一一分析了(其实是能力不及😆)

配置环境变量.png

在这一步中有很多if判断,其实里面都是对应的环境变量,这些都是可以在XCode进行相关的配置,进行对应的操作(如Log相关信息)。

2、加载共享缓存库

在iOS系统中,每个程序依赖的动态库都需要通过dyld(位于/usr/lib/dyld)一个一个加载到内存,然而如果在每个程序运行的时候都重复的去加载一次,势必造成运行缓慢,为了优化启动速度和提高程序性能,共享缓存机制就应运而生。所有默认的动态链接库被合并成一个大的缓存文件,放到/System/Library/Caches/com.apple.dyld/目录下,按不同的架构保存分别保存着。其中包括UIKit,Foundation等基础库。

加载共享缓存库_1.png

加载共享缓存库_2.png

在源码中可以看到在我们iOS系统中,共享缓存库被明确一定会被加载。
因为这种机制的存在,使得iOS在的对这些基础库的加载的时候时间和内存都得到节约!
但是有时因为共享缓存库的机制的存在使得iOS在共享缓存库里面的C函数,也就是系统C函数变的不是那么静态,有了些许OC运行时的特性!
这部分内容将会在下一篇文章着重讲解!从不一样的角度看Runtime!

3、实例化主程序

加载主程序其实就是对MachO文件中LoadCommons段的一些列加载!
我们继续对代码的跟进,如下6张图:


加载主程序_1.png
加载主程序_2.png

补充:实例化完之后调用addImage(image),将实例化出来的镜像加入所有的镜像列表sAllImages,主程序永远是sAllImages的第一个对象!

加载主程序_3.png
加载主程序_LoadCommons_1.png
加载主程序_LoadCommons_2.png

加载主程序_LoadCommons_3.png

从源代码可以看出,加载主程序这一步其实很简单,就是将MachO文件中的部分信息一步一步的放入内存。
其中从最后一张图可以了解到:

  • 最大的segment数量为256个!
  • 最大的动态库(包括系统的个自定义的)个数为4096个!
4、加载动态链接库

加载动态链接库,如XCode的ViewDebug、MainThreadChecker,我们之后代码注入的库也是通过这种形式添加的!


插入动态链接库.png
5、链接主程序
链接主程序.png

link函数里面其实就是对之前的imges(不是图片,这是镜像)进行一些内核操作,这部分Apple没有开源出来,只能看到些许源码,有兴许的同学可以自行查阅:


Link.png
6、加载Load和特定的C++的构造函数方法

无论是从之前断点load方法还是我们现在一步步对源码的根据,都能了解到,dyldinitializeMainExecutable就是就加载load的入口:

initializeMainExecutable_1.png

initializeMainExecutable_2.png

并且最后都能接到一个结论:
dyldnotifySingle函数经过一系列的跳转,最终会跳转到objc源码中的call_load_methods函数!!

那么这中间的的过程到底是怎么样的呢?看下方的gif:
[图片上传失败...(image-1cbe4e-1554211741014)]
简书坑爹总是吞我图:(如果上面gif又显示不出来就点这直接看流程图gif

最后找到函数_dyld_objc_notify_register,就在全局都找不到一个调用的地方了,其实这个函数本身就不是给dyld调用的,而是提供给外部调用的。怎么找到是谁调用了_dyld_objc_notify_register呢?
继续打开之前的Demo1,在工程中加上_dyld_objc_notify_register的符号断点看看。

符号断点.png

运行工程,断住之后再次查看函数调用栈:

符号断点后的调用堆栈.png

这就可以很清晰的看到,原来是objc_init调用了咱们的_dyld_objc_notify_register函数。

同样打开objc的源码(点击下载objc源码 )
快速定位_dyld_objc_notify_register的调用位置。如图:

_objc_init.png

load_images.png

这样dyld是如何加载咱们的load方法就被找到了。
期间如果有细心的同学可能看到了在notifySingle后面紧跟着doInitialization这样一个函数,这是一个系统特定的C++构造函数的调用方法。

doInitialization_1.png

doModInitFunctions.png
ImageLoaderMachO_2.png

这种C++构造函数有特定的写法,如下:

__attribute__((constructor)) void CPFunc(){
    printf("C++Func1");
}

有兴趣的同学可以尝试实现一次,在MachO文件中找到对应的方法!
当然,这在Demo1也是有的。

7、寻找APP的main函数并调用

当上面的load和C++方法加载完成之后就会回到dyld的main方法里面,寻找APP的main函数并调用。


寻找APP的main函数并调用.png

最终dyld的main函数中的主要流程就已经走完了,当然这7个步骤是一条主线,期间还会有很多其他的步骤,过程非常繁琐,这就不一一举例了。大家可以通过阅读dyld的源码尽收眼底。

四、总结

本文讲述了MachO的概述,文件结构,在从其中Load Commons中的LC_LOAD_DYLINKER引出dyld,接下根据dyld源码分析了APP的启动流程。分别是:
1、配置环境变量
2、加载共享缓存库
3、实例化主程序
4、加载动态链接库
5、链接主程序
6、加载Load和特定的C++的构造函数方法
7、寻找APP的main函数并调用
另外dyld中LC_LOAD_DYLIB的(加载动态链接库)存在,为我们逆向注入代码提供了无限可能。
MachO中其实还有一些符号表,为系统提供查询对应的方法名称提供了路径,这些在下一张文章中将会更加详细的讲到。

五、参考

1、Dynamic Linking of Imported Functions in Mach-O
2、《iOS应用逆向工程》沙梓社,吴航 著 ,机械工业出版社

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