从Mach-O角度谈谈Swift和OC的存储差异

摘要:本文从二进制的角度初步介绍了Swift与OC的差异性,包括Swift在可执行文件中函数表的存储结构、函数的存储结构等(目前只列出基本结构,泛型等结构描述会陆续补充)。为了方便阅读理解,文末附有Demo地址。OC版本的二进制解析工具已经开源,针对Swift的二进制解析工具目前正在开发中,近期即将发布,敬请关注WBBlades

背景

经过数年的更新,Swift的ABI终于稳定了。由此引来的就是各大厂对Swift引入的争相尝试。为此58同城APP在集团内发起了引入Swift语言的协同项目—— 混天项目。混天项目从混编架构、工具链、基础组件、UI组件等多方面着手,旨在提高Swift引入后的开发效率。本文是混天项目工具链组阶段性研究成果。

思考--动态调用

在正文开始之前,我们先来看个与主题无关的例子。

class MyClass {
    var p:Int = 0
    init() {
        print("init")
    }
    func helloSwift() -> Int {
        print("helloSwift")
        return 100
    }
    func helloSwift1() -> Int {
        print("helloSwift1")
        return 100
    }
    func helloSwift2() -> Int {
        print("helloSwift2")
        return 100
    }
}

在运行时,我们能否动态调用上面这个类的函数呢?如果换成OC语言,我相信绝大多数iOSer 都知道如何动态调用。
以下面代码为例

/**
假设MyClass由OC实现
*/
@interface MyClass : NSObject

@property(nonatomic,assign)int p;

@end

@implementation MyClass

- (instancetype)init{
    if (self = [super init]) {
        NSLog(@"init");
    }
    return self;
}
- (int)helloSwift{
    NSLog(@"helloSwift");
    return  100;
}
- (int)helloSwift1{
    NSLog(@"helloSwift1");
    return  100;
}
- (int)helloSwift2{
    NSLog(@"helloSwift2");
    return  100;
}

@end

/**
那么通过runtime可以获取到任意的方法IMP
*/ 
 Class class = NSClassFromString(@"MyClass");
 unsigned int count = 0;
 Method *list = class_copyMethodList(class,&count);
 for (int i = 0; i < count; i++) {
      Method method = list[i];
      NSLog(@"- [%@ %@]",class,NSStringFromSelector(method_getName(method)));
 }
 NSLog(@"%@ count = %u",class,count);
     
 //模拟通过IMP调用更直观
 Method method = class_getInstanceMethod(class, @selector(helloSwift));
 IMP imp = method_getImplementation(method);
 imp();
打印结果如下
2020-11-19 17:16:08.885763+0800 SwiftToolDemo[45037:17709798] - [MyClass init]
2020-11-19 17:16:08.886219+0800 SwiftToolDemo[45037:17709798] - [MyClass helloSwift]
2020-11-19 17:16:08.886389+0800 SwiftToolDemo[45037:17709798] - [MyClass helloSwift1]
2020-11-19 17:16:08.886537+0800 SwiftToolDemo[45037:17709798] - [MyClass helloSwift2]
2020-11-19 17:16:08.886680+0800 SwiftToolDemo[45037:17709798] - [MyClass p]
2020-11-19 17:16:08.886823+0800 SwiftToolDemo[45037:17709798] - [MyClass setP:]
2020-11-19 17:16:08.886932+0800 SwiftToolDemo[45037:17709798] MyClass count = 6
2020-11-19 17:16:08.887166+0800 SwiftToolDemo[45037:17709798] helloSwift

但是换成Swift,可能会难倒一部分同学。首先我们来观察下,MyClass没有继承自任何类,它是一个纯Swift类。我们通过runtime获取到类,但是无法获取到相关的函数信息。

   Class class = NSClassFromString(@"SwiftDynamicRun.MyClass");
   unsigned int count = 0;
   Method *list = class_copyMethodList(class,&count);
   for (int i = 0; i < count; i++) {
       Method method = list[i];
       NSLog(@"- [%@ %@]",class,NSStringFromSelector(method_getName(method)));
    }
 
打印结果如下:
2020-11-11 16:08:30.714057+0800 SwiftDynamic[71869:13232511] SwiftDynamic.MyClass count = 0

OC的存储

为什么OC能够在运行时找到类和方法呢?归根到底还是由于Mach-O文件存储了类和函数的信息。在Mach-O中,所有的类都存储到__objc_classlist这个section中。


类列表

通过 __objc_classlist中的地址,我们能找到每个类的详细信息。本文以arm64架构为例,在找到0x11820文件偏移后,我们很容易通过结构体结构套取到类的信息。

struct class64
{
    unsigned long long isa;
    unsigned long long superClass;
    unsigned long long cache;
    unsigned long long vtable;
    unsigned long long data;
};

在本文中,可能有同学对地址和偏移的换算存在困惑。例如8字节中存储的是0x1000011820,为什么我们要去寻找0x11820的文件偏移。在Mach-O需要先判断0x1000011820位于哪个segment中,在Load Commands里会记录每个segment的起始虚拟地址及size。

 if (address >= segmentCommand.vmaddr && address <= segmentCommand.vmaddr + segmentCommand.vmsize) {
       return address - (segmentCommand.vmaddr - segmentCommand.fileoff);
 }

在本文中,为了不影响阅读,可以将虚拟地址 - 0x100000000当做文件偏移。
因此class64结构体的isa就位于0x11820的连续8字节。data就位于0x11820随后的第5个8字节。


如何找到类名和方法列表

上文中struct class64 中的data指向了class64Info结构体的地址。根据class64Info结构体我们很容易能找到类名和类的实例方法列表。并且通过方法列表的IMP找到每个函数的起始地址。

通过方法列表查找汇编指令

上文的简单演示下OC类信息的遍历过程,即如何找到每个类的每个方法及首条指令地址。除了实例方法外还有类方法、分类中的方法等等,详细的过程和代码可以参考58开源的WBBlades,代码中有详细的过程,在此不再赘述。

Swift

不论是OC类还是Swift类,都会被存储到__objc_classlist中。Swift类完整的保留了OC的存储结构。也就是说上文中的MyClass也是按照OC的查找方式也是能找到对应的结构的。


MyClass的方法列表不存在

虽然Swift完整保留了struct class64和struct class64Info的数据结构,但是MyClass并没有将方法列表保存到struct class64Info中。那么在这里就会有2个问题

  • 为什么Swift类要保留OC的类结构?
  • MyClass的方法存在哪里?

Swift类要保留OC的类结构是为了兼容OC,部分Swift类继承自OC,并且需要向OC暴露接口,不可避免地需要借用OC的消息转发机制。

那么MyClass的方法存储在哪里呢?参考Swift5.0的Runtime机制浅析的总结,可能一部分方法在编译优化时被内联化。假设先不考虑内联这种场景,如何找到每个MyClass的函数表呢?
Swift除了兼容了OC的存储结构外,还具备自己的存储结构,通过MachOView能看到Mach-O文件中存储了很多以swift5命名的section(以swift5示例)。

Swift section

这些section中,__swift5_types中存储的是Class、Struct、Enum的地址。具体每个section存储Swift的哪些数据,在Swift metadata一文中有较为详细的描述。
如果此时你打开MachOView,查看__swift5_types的二进制数据后你会发现它与OC的存储有很大的不同。在OC中,存储地址通常都是8字节的直接存储对应的地址。但是types不是8字节地址,而是4字节,并且所存储的数据明显不是直接地址,而是相对地址。那么如何得出MyClass的地址呢?当前文件偏移 + 随后4字节中存储的value即可得到地址。
MyClass的地址

为什么Swift要采用这种方式来存储数据呢?猜测是为了节省包大小,按照OC的存储习惯存储一个地址需要8字节,而在这里4字节就够了。
经过计算后可发现,MyClass的偏移位于__TEXT,__const中。无论是按 Scott Knight整理好的结构

type ClassDescriptor struct {
    Flags                       uint32
    Parent                      int32
    Name                        int32
    AccessFunction              int32
    FieldDescriptor             int32
    SuperclassType              int32
    MetadataNegativeSizeInWords uint32
    MetadataPositiveSizeInWords uint32
    NumImmediateMembers         uint32
    NumFields                   uint32
}

还是按HandyJSON整理的结构

struct _ClassContextDescriptor: _ContextDescriptorProtocol {
    var flags: Int32
    var parent: Int32
    var mangledNameOffset: Int32
    var fieldTypesAccessor: Int32
    var reflectionFieldDescriptor: Int32
    var superClsRef: Int32
    var metadataNegativeSizeInWords: Int32
    var metadataPositiveSizeInWords: Int32
    var numImmediateMembers: Int32
    var numberOfFields: Int32
    var fieldOffsetVector: Int32
}

都无法得知Swift函数表的存储位置。不过从2者之间的差异可以推测,ClassContextDescriptor的结构可能双方都没有罗列完全。之所以会这样猜想,是因为在通过MachOView查看二进制时,因为好奇计算了下MyClass的ClassDescriptor后续几个字节的地址,发现确实是指向了汇编代码。


MyClass ClassDescriptor

那到底是不是ClassDescriptor这个结构体还有其他的内容呢?这个只能从源码中寻找答案了。
首先查看了 ClassContextDescriptorBuilder 的layout方法,这里似乎能看到我们想要的信息——VTable。

class ClassContextDescriptorBuilder
//重写了addLayoutInfo
void layout() {
      super::layout();
      addVTable();
      addOverrideTable();
      addObjCResilientClassStubInfo();
      maybeAddCanonicalMetadataPrespecializations();
    }
}

那么super::layout();做了什么呢?其实ClassContextDescriptorBuilder的结构并不是在一个类中完全确定的,而是通过继承关系逐渐添加丰富完成的。例如,最开始的2个4字节内容是由基类ContextDescriptorBuilderBase确定的,而TypeContextDescriptorBuilderBase又不断的向自己的结构中丰富完善信息。最后,ClassContextDescriptorBuilder除了通过重写layout()方法和addLayoutInfo()方法外,还在此基础上添加了Vtable(其他信息暂不关注)。

ClassContextDescriptorBuilder //重写父类addLayoutInfo方法,从而添加SuperclassType 、MetadataNegativeSizeInWords、MetadataPositiveSizeInWords、NumImmediateMembers 、NumFields、FieldOffsetVectorOffset、VTable、OverrideTable等
               ^
               |
TypeContextDescriptorBuilderBase // 添加Name、AccessFunction、FieldDescriptor、NumFields、FieldOffsetVectorOffset
               ^
               |
ContextDescriptorBuilderBase  //添加Flag 、Parent
class TypeContextDescriptorBuilderBase
void layout() {
      asImpl().computeIdentity();

      super::layout();
      asImpl().addName();
      asImpl().addAccessFunction();
      asImpl().addReflectionFieldDescriptor();
      asImpl().addLayoutInfo();
      asImpl().addGenericSignature();
      asImpl().maybeAddResilientSuperclass();
      asImpl().maybeAddMetadataInitialization();
    }

     void addLayoutInfo() {
      auto properties = getType()->getStoredProperties();

      // uint32_t NumFields;
      B.addInt32(properties.size());

      // uint32_t FieldOffsetVectorOffset;
      B.addInt32(FieldVectorOffset / IGM.getPointerSize());
    }
}

 class ContextDescriptorBuilderBase {
  void layout() {
      asImpl().addFlags();
      asImpl().addParent();
    }
}

那么Vtable是如何添加的呢?按Mach-O的存储习惯,大概率是先约定单个函数的存储长度,再告诉我们函数个数

 void addVTable() {
       ...     
      B.addInt32(VTableEntries.size()); 
      for (auto fn : VTableEntries)
        emitMethodDescriptor(fn);
  }

在addVTable函数中可以看出,在依次存储函数前,先通过4字节存储函数表的大小。


MyClass VTable

从上文中的代码描述来看,在某些情况下是不存在VTable的,那么怎么才能知道是否存在VTable呢?如果不存在VTable的情况下,按照存在VTable的结构去解析,会造成错乱。
按照Mach-O的习惯,一般Kind、Flag这样的字节都会有一定的标示性,能够通过一个或几个字节告诉我们后续内容的类别情况。
经过整理,Flag的详细说明如下:

 ---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
 |  TypeFlag(16bit)  |  version(8bit) | generic(1bit) | unique(1bit) | unknown (1bit) | Kind(5bit) |
 ---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

先来看2个枚举


// Kinds of context descriptor.
enum class ContextDescriptorKind : uint8_t {
/// This context descriptor represents a module.
Module = 0,

/// This context descriptor represents an extension.
Extension = 1,

/// This context descriptor represents an anonymous possibly-generic context
/// such as a function body.
Anonymous = 2,

/// This context descriptor represents a protocol context.
Protocol = 3,

/// This context descriptor represents an opaque type alias.
OpaqueType = 4,

/// First kind that represents a type of any sort.
Type_First = 16,

/// This context descriptor represents a class.
Class = Type_First,

/// This context descriptor represents a struct.
Struct = Type_First + 1,

/// This context descriptor represents an enum.
Enum = Type_First + 2,

/// Last kind that represents a type of any sort.
Type_Last = 31,
};
/// Flags for nominal type context descriptors. These values are used as the
/// kindSpecificFlags of the ContextDescriptorFlags for the type.
class TypeContextDescriptorFlags : public FlagSet<uint16_t> {
  enum {
    // All of these values are bit offsets or widths.
    // Generic flags build upwards from 0.
    // Type-specific flags build downwards from 15.

    /// Whether there's something unusual about how the metadata is
    /// initialized.
    ///
    /// Meaningful for all type-descriptor kinds.
    MetadataInitialization = 0,
    MetadataInitialization_width = 2,

    /// Set if the type has extended import information.
    ///
    /// If true, a sequence of strings follow the null terminator in the
    /// descriptor, terminated by an empty string (i.e. by two null
    /// terminators in a row).  See TypeImportInfo for the details of
    /// these strings and the order in which they appear.
    ///
    /// Meaningful for all type-descriptor kinds.
    HasImportInfo = 2,

    /// Set if the type descriptor has a pointer to a list of canonical
    /// prespecializations.
    HasCanonicalMetadataPrespecializations = 3,

    // Type-specific flags:

    /// The kind of reference that this class makes to its resilient superclass
    /// descriptor.  A TypeReferenceKind.
    ///
    /// Only meaningful for class descriptors.
    Class_ResilientSuperclassReferenceKind = 9,
    Class_ResilientSuperclassReferenceKind_width = 3,

    /// Whether the immediate class members in this metadata are allocated
    /// at negative offsets.  For now, we don't use this.
    Class_AreImmediateMembersNegative = 12,

    /// Set if the context descriptor is for a class with resilient ancestry.
    ///
    /// Only meaningful for class descriptors.
    Class_HasResilientSuperclass = 13,

    /// Set if the context descriptor includes metadata for dynamically
    /// installing method overrides at metadata instantiation time.
    Class_HasOverrideTable = 14,

    /// Set if the context descriptor includes metadata for dynamically
    /// constructing a class's vtables at metadata instantiation time.
    ///
    /// Only meaningful for class descriptors.
    Class_HasVTable = 15,
  };

Flag比较有用的低5位和高16位。低5位可以代表32类型,中间位用来表示version、是否唯一、泛型等,暂不关心。
其中:

  • 低5位标识当前描述的类型,是Class | Struct | Enum | Protocol等等。

  • 高16位用于标识是否有Class_HasVTable | Class_HasOverrideTable | Class_HasResilientSuperclass 等等。

以MyClass的Falg = 0x80000050为例。低5位为0x50 = 1 0 0 0 0 。其十进制为16,在ContextDescriptorKind中,16标识Class。高16位为0x8000 = 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0, 在TypeContextDescriptorFlags中,第16位为1标识Class_HasVTable。因此0x80000050的意思为具有VTable的类。

回头看看,如何实现动态调用

感兴趣的可以下载Demo,在运行时大家可能会有疑问,为什么输出的函数数量与实际写的函数不一致。因为除了自己写的函数外,还有额外自动生成的函数,也被加入到VTable中。

函数的Flag解释如下,感兴趣的可以关注下
/**
 --------------------------------------------------------------------------------------
 |  ExtraDiscriminator(16bit)   | isDynamic(1bit) | isInstance(1bit) | Kind(4bit) |
 --------------------------------------------------------------------------------------

enum class Kind {
    Method,
    Init,
    Getter,
    Setter,
    ModifyCoroutine,
    ReadCoroutine,
  };
 */

另外,overrideTable在Demo中没有实现,但是结构和存储位置在代码做了注释标记,感兴趣的可以自己解析下。

//OverrideTable结构如下,紧随VTable后4字节为OverrideTable数量,再其后为此结构数组
struct SwiftOverrideMethod {
    struct SwiftClassType *OverrideClass;
    struct SwiftMethod *OverrideMethod;
    struct SwiftMethod *Method;
};

结束语

本文从动态调用开始引入思考,逐渐探索Swift的二进制存储。Swift的函数存储具有很大的局限性,例如:我们只能知道函数的类型及Index,通过Index和类型确定哪个函数,一旦函数发生变化那么VTable的位置就发生了变化。本文并不是推广动态调用,仅仅是从动态调用这个场景将大家吸引到Mach-O的解析过程中。Swift作为一门很先进的语言,有太多的特性值得我们去探索。笔者也只是刚接触Swift,难免带着OC的思维去揣摩和探索Swift,如有疏漏之处,敬请指正。

Mach-O文件解析能做什么呢?58同城APP对文件解析应用的还算比较广泛的。在18年我们还具备热修复能力的时候(目前由于审核风险已经下线),我们尝试对自研的热修复方案的能力不断扩充。当时我们希望能动态调用static函数的能力,因此开始调研Mach-O文件。当时还闹过一个乌龙,可以参考我的另一篇文章如何通过Mach-O实现static函数的动态调用。随着对Mach-O了解的不断深入,我们先后利用Mach-O文件解析能力实现了静态库的快速分析、无用类检测、无符号表日志恢复、静态库依赖关系检测、全局类继承关系梳理,以及我们正在做的相似函数检测、类机审工具功能等等。

参考文献

https://knight.sc/reverse%20engineering/2019/07/17/swift-metadata.html
https://juejin.im/post/6844903783449755655
https://github.com/apple/swift/blob/5c59babfebb1603c8fd95bf04e1a33c8e074c7ca/lib/IRGen/GenMeta.cpp
https://www.jianshu.com/p/158574ab8809
https://github.com/neil-wu/SwiftDump/blob/master/README_zh.md

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