1、Mach-O简介

Mach-O是Mach object的缩写，是Mac/iOS上用于存储程序、库等的标准格式，在 xnu源码 中可以看到Mach-O格式的详细定义，属于Mach-O格式的文件类型有11种：

  1. #define    MH_OBJECT    0x1        /* relocatable object file */
  2. #define    MH_EXECUTE    0x2        /* demand paged executable file */
  3. #define    MH_FVMLIB    0x3        /* fixed VM shared library file */
  4. #define    MH_CORE        0x4        /* core file */
  5. #define    MH_PRELOAD    0x5        /* preloaded executable file */
  6. #define    MH_DYLIB    0x6        /* dynamically bound shared library */
  7. #define    MH_DYLINKER    0x7        /* dynamic link editor */
  8. #define    MH_BUNDLE    0x8        /* dynamically bound bundle file */
  9. #define    MH_DYLIB_STUB    0x9        /* shared library stub for static */
  10. /*  linking only, no section contents */
  11. #define    MH_DSYM        0xa        /* companion file with only debug */
  12. /*  sections */
  13. #define    MH_KEXT_BUNDLE    0xb        /* x86_64 kexts */

源码位置：/EXTERNAL_HEADERS/mach-o/loader.h

2、常见的Mach-O文件类型

2.1、MH_OBJECT

2.1.1、目标文件 .o

目标文件源文件和可执行文件的中间产物，如下图所示：
image.png
可以手动创建一个C语言文件 test.c，通过命令行编译该文件 $ clang -c test.c 生成test.o文件，再通过file指令查看：
$ file test.o

  1. test.o: Mach-O 64-bit object x86_64

2.1.2、静态库文件 .a

静态库其实就是N个.o合并在一起，找一个静态库文件liby.a，通过file指令查看：
$ file liby.a

  1. liby.a: Mach-O universal binary with 3 architectures: [arm64:current ar archive random librarycurrent ar archive random library] [arm64e:current ar archive random librarycurrent ar archive random library] [x86_64:current ar archive random librarycurrent ar archive random library]
  2. liby.a (for architecture arm64):    current ar archive random library
  3. liby.a (for architecture arm64e):    current ar archive random library
  4. liby.a (for architecture x86_64):    current ar archive random library

2.2、MH_EXECUTE：可执行文件

将test.c文件生成可执行文件test2：$ clang -o test2 test.c，再通过file指令查看test2：
$ file test2

  1. test2: Mach-O 64-bit executable x86_64

2.3、MH_DYLIB：动态文件

2.3.1、.dylib后缀文件

找到一个动态库文件，通过file指令查看：
$ file libgmalloc.dylib

  1. libgmalloc.dylib: Mach-O universal binary with 2 architectures: [x86_64:Mach-O 64-bit dynamically linked shared library x86_64
  2. - Mach-O 64-bit dynamically linked shared library x86_64] [arm64e:Mach-O 64-bit dynamically linked shared library arm64e
  3. - Mach-O 64-bit dynamically linked shared library arm64e]
  4. libgmalloc.dylib (for architecture x86_64):    Mach-O 64-bit dynamically linked shared library x86_64
  5. libgmalloc.dylib (for architecture arm64e):    Mach-O 64-bit dynamically linked shared library arm64e

输出结果显示，.dylib文件是Mach-O格式文件，并且是一个动态库文件。

2.3.2、.framework/xx

找到XCTest.framework中的XCTest，通过 file指令查看：
$ file XCTest

  1. XCTest: Mach-O universal binary with 4 architectures: [arm_v7:Mach-O dynamically linked shared library arm_v7
  2. - Mach-O dynamically linked shared library arm_v7] [arm_v7s:Mach-O dynamically linked shared library arm_v7s
  3. - Mach-O dynamically linked shared library arm_v7s] [arm64:Mach-O 64-bit dynamically linked shared library arm64
  4. - Mach-O 64-bit dynamically linked shared library arm64] [arm64e:Mach-O 64-bit dynamically linked shared library arm64e
  5. - Mach-O 64-bit dynamically linked shared library arm64e]
  6. XCTest (for architecture armv7):    Mach-O dynamically linked shared library arm_v7
  7. XCTest (for architecture armv7s):    Mach-O dynamically linked shared library arm_v7s
  8. XCTest (for architecture arm64):    Mach-O 64-bit dynamically linked shared library arm64
  9. XCTest (for architecture arm64e):    Mach-O 64-bit dynamically linked shared library arm64e

可以看到也是Mach-O格式文件。

2.4、MH_DYLINKER：动态链接编辑器

所在路径：/usr/lib/dyld，通过file指令查看：
$ file dyld

  1. dyld: Mach-O universal binary with 3 architectures: [i386:Mach-O dynamic linker i386
  2. - Mach-O dynamic linker i386] [x86_64:Mach-O 64-bit dynamic linker x86_64
  3. - Mach-O 64-bit dynamic linker x86_64] [arm64e]
  4. dyld (for architecture i386):    Mach-O dynamic linker i386
  5. dyld (for architecture x86_64):    Mach-O 64-bit dynamic linker x86_64
  6. dyld (for architecture arm64e):    Mach-O 64-bit dynamic linker arm64e

2.5、MH_DSYM：存储着二进制文件符号信息的文件

找到 dSYM（符号表）文件夹中和项目同名的文件（.dSYM/Contents/Resources/DWARF/xx），并通过file指令查看：
$ file iOSDemo

  1. iOSDemo: Mach-O 64-bit dSYM companion file arm64

也证明了符号表文件也是Mach-O格式的。

3、Universal Binary（通用二进制文件）

观察XCTest的文件描述信息可知，它是一个universal binary，支持4种架构，它就是一个通用二进制文件。
通用二进制文件有以下特点：

  • 同时适用多种架构的二进制文件，包含了多种不同架构的独立的二进制文件。
  • 因为需要存储多种架构的代码，通用二进制文件通常比单一平台二进制的程序要大。
  • 由于两种架构有共同的一些资源，所以并不会达到单一版本的两倍之多。
  • 由于执行过程中，只调用了一部分代码，运行起来也不需要额外的内存。
  • 因为文件比原来的要大，也被称为“胖二进制文件”（Fat Binary）

在Xcode的Build Settings中，可以通过修改Architectures配置来决定最终生成的二进制文件支持的架构。当使用Hopper查看通用二进制文件时，会提示FAT archive
image.png
可以通过lipo指令查看支持的架构：$ lipo -info XCTest

  1. Architectures in the fat file: XCTest are: armv7 armv7s arm64 arm64e

也可通过lipo命令把胖二进制文件转换成瘦二进制文件（指定一个支持架构）：
$ lipo XCTest -thin armv7 -output XCTest_armv7
lipo也可以把两种架构的瘦二进制文件合并成一个胖二进制文件：
$ lipo -create XCTest_armv7 XCTest_arm64 -output XCTest

4、Mach-O的基本结构

根据 苹果官方文档 描述，Mach-O文件分为三个部分：Header信息、Load commands信息、Data信息。
image.png
Header：文件类型、目标架构类型等
Load commands：文件在虚拟内存中的逻辑、布局
Raw segment data：在Load commands中定义的Segment的原始数据
以暴走漫画的可执行文件WebToon为例，可以使用 otool 命令查看Mach-O特定部分和段的信息比如：
查看引用的动态库：$ otool -L WebToon
查看header信息：$ otool -h WebToon

更多操作可以在终端输入 $ otool 查看使用帮助

也可以使用GUI工具 MachOView 来查看，Mach-O的Header信息：
image.png
Mach-O的Load commands信息，包含内存分段信息告诉你每个段有多大，大概在哪里开始，还包含所加载的动态库：
image.png
Mach-O的Data中保存了内存中的真实信息，比如class-dump就是读取了Data中的头文件信息：
image.png

5、dyld和Mach-O

dyld（动态链接编辑器）它可以加载以下类型的Mach-O文件：
1、MH_EXECUTE（可执行文件）
2、MH_DYLIB（动态库）
3、MH_BUNDLE（动态绑定的文件）
App的可执行文件、动态库都是由dyld负责加载的，可以通过查看dyld源码/scr/dyld2.cpp 中进行验证：

  1. const mach_header* mh = (mach_header*)firstPages;
  2. switch ( mh->filetype ) {
  3.     case MH_EXECUTE:
  4.     case MH_DYLIB:
  5.     case MH_BUNDLE:
  6.         break;
  7.     default:
  8.         throw "mach-o, but wrong filetype";
  9. }