Mach-O文件基础

Mach-O（Mach Object File Format，wiki，chs）是macOS、iOS、iPadOS上的可执行文件格式，类似于 Linux（UNIX ）的ELF以及 Windows 上的PE。

具体格式包括：*.a（静态库）、*.dylib（动态库）、可执行文件、*.o（中间文件）、*.dSYM（调试符号）。一个Mach-O文件中，可以包含多个架构（如同时包含armv7、arm64）。

file ./Test1 // 通过file命令来查看当前目录可执行二进制Test1的架构信息

admin@KEKEC-MC4 Test1.app % file Test1
Test1: Mach-O universal binary with 2 architectures: [arm_v7:Mach-O executable arm_v7] [arm64:Mach-O 64-bit executable arm64]
Test1 (for architecture armv7):    Mach-O executable arm_v7
Test1 (for architecture arm64):    Mach-O 64-bit executable arm64

动态库：

admin@KEKEC-MC4 MyTest_dylib.framework % file MyTest_dylib 
MyTest_dylib: Mach-O universal binary with 2 architectures: [arm_v7:Mach-O dynamically linked shared library arm_v7] [arm64]
MyTest_dylib (for architecture armv7):        Mach-O dynamically linked shared library arm_v7
MyTest_dylib (for architecture arm64):        Mach-O 64-bit dynamically linked shared library arm64

静态库：

admin@NICOCHEN-MC4 MyTestLib.framework % file MyTestLib 
MyTestLib: Mach-O universal binary with 4 architectures: [arm_v7:current ar archive] [i386] [x86_64] [arm64]
MyTestLib (for architecture armv7):        current ar archive
MyTestLib (for architecture i386):        current ar archive
MyTestLib (for architecture x86_64):        current ar archive
MyTestLib (for architecture arm64):        current ar archive

otool -f -V ./Test1 // 通过otool命令查看当前目录可执行二进制Test1的架构信息

Fat headers
fat_magic FAT_MAGIC
nfat_arch 2
architecture armv7
    cputype CPU_TYPE_ARM
    cpusubtype CPU_SUBTYPE_ARM_V7
    capabilities 0x0
    offset 16384
    size 79488
    align 2^14 (16384)
architecture arm64
    cputype CPU_TYPE_ARM64
    cpusubtype CPU_SUBTYPE_ARM64_ALL
    capabilities 0x0
    offset 98304
    size 80208
    align 2^14 (16384)

设置Test1的Architectures为armv7和arm4，目标设备设置为Any iOS Device（armv7, arm64）

/Users/admin/Library/Developer/Xcode/DerivedData/Test1-enpnmzugwpjxckbyiyimrjuwqjqk/Build/Products/Debug-iphoneos/Test1.app 注：Xcode输出路径在Preferences面板的Locations标签中指定

lipo -thin armv7 ./Test1 -o Test1_v7 // 将当前目录中Test1的armv7架构保存到独立的Test1_v7可执行文件中注：Test1_v7的架构仅包含armv7

lipo -remove armv7 ./Test1 -o Test2 // 去掉当前目录中Test1的armv7架构保存到独立的Test2可执行文件中注：Test1不会变 Test2为Test1去掉armv7的版本

MachO文件结构

以UAGame的shipping版iOS可执行文件为例

注：可执行文件被签名后，会增加一个Code Signature段，如上图最后面的那个段

字段说明

字段	含义
Mach64 Header	描述了 Mach-O 的魔数、CPU 架构、文件类型以及加载命令（Load Commands）等信息注：魔数为MH_MAGIC_64表示大端序，为MH_CIGAM_64表示小端序
Load Commands	load commands会指导动态加载器(dyld)该如何加载Mach-O文件
__PAGEZERO	Catch访问NULL指针的非法操作的段
__TEXT	为代码段、只读数据段
__DATA	可读写数据段
LC_LOAD_DYLINKER	指定了dyld所在的路径为/usr/lib/dyld
LC_UUID	记录了当前MachO文件的uuid值
LC_VERSION_MIN_IPHONEOS	最小可运行的iphone os版本
LC_MAIN	main函数地址（entry point）
LC_LOAD_DYLIB	类似于强引用当前库。如果无法成功load当前库，就会报错，导致启动失败
LC_LOAD_WEAK_DYLIB	类似于弱引用，如果加载路径下有这个库，就引入；否则可以不引入。不影响使用
LC_SYMTAB	指向symbol table和string table。symbol table包含了可执行的镜像文件所用到的所有符号信息。注：符号名在symbol table只存了一个string index索引值，具体的字符串存放在string table中。
LC_DYSYMTAB	指向indirect symbol table，为一个index 数组，即每个条目的内容是一个 index 值，该index 值（从 0 开始）指向到symbol table中的条目。该表是为__stubs、__nl_symbol_ptr、__got、__la_symbol_ptr段服务的 Indirect symbols for (__TEXT,__stubs) 1 entries address index 0x0000000000001fbe 3 Indirect symbols for (__DATA,__nl_symbol_ptr) 2 entries address index 0x0000000000002000 4 0x0000000000002008 ABSOLUTE Indirect symbols for (__DATA,__got) 1 entries address index 0x0000000000002010 2 Indirect symbols for (__DATA,__la_symbol_ptr) 1 entries address index 0x0000000000002018 3 可通过otool -I ./UAGame-IOS-Shipping命令来查看其内容

otool -L ./UAGame-IOS-Shipping // 查看可执行文件UAGame-IOS-Shipping依赖的第三方动态链接库注：该命令会读取LC_LOAD_DYLIB和LC_LOAD_WEAK_DYLIB的信息

./UAGame-IOS-Shipping:
    /System/Library/Frameworks/QuartzCore.framework/QuartzCore (compatibility version 1.2.0, current version 1.11.0)
    /System/Library/Frameworks/UIKit.framework/UIKit (compatibility version 1.0.0, current version 5067.3.107)
    /System/Library/Frameworks/Foundation.framework/Foundation (compatibility version 300.0.0, current version 1854.0.0)
    /System/Library/Frameworks/AudioToolbox.framework/AudioToolbox (compatibility version 1.0.0, current version 1000.0.0)
    /System/Library/Frameworks/AVFoundation.framework/AVFoundation (compatibility version 1.0.0, current version 2.0.0)
    /System/Library/Frameworks/GameKit.framework/GameKit (compatibility version 1.0.0, current version 810.63.3)
    /System/Library/Frameworks/StoreKit.framework/StoreKit (compatibility version 1.0.0, current version 1.0.0)
    /System/Library/Frameworks/CoreVideo.framework/CoreVideo (compatibility version 1.2.0, current version 1.5.0)
    /System/Library/Frameworks/CoreMedia.framework/CoreMedia (compatibility version 1.0.0, current version 1.0.0)
    /System/Library/Frameworks/CoreGraphics.framework/CoreGraphics (compatibility version 64.0.0, current version 1548.1.3)
    /System/Library/Frameworks/GameController.framework/GameController (compatibility version 1.0.0, current version 1.0.0)
    /System/Library/Frameworks/SystemConfiguration.framework/SystemConfiguration (compatibility version 1.0.0, current version 1163.10.2)
    /System/Library/Frameworks/DeviceCheck.framework/DeviceCheck (compatibility version 1.0.0, current version 1.0.0, weak)
    /System/Library/Frameworks/UserNotifications.framework/UserNotifications (compatibility version 1.0.0, current version 1.0.0, weak)
    /System/Library/Frameworks/CoreMotion.framework/CoreMotion (compatibility version 1.0.0, current version 2663.0.3)
    /System/Library/Frameworks/AdSupport.framework/AdSupport (compatibility version 1.0.0, current version 1.0.0, weak)
    /System/Library/Frameworks/WebKit.framework/WebKit (compatibility version 1.0.0, current version 612.1.27)
    /System/Library/Frameworks/iAd.framework/iAd (compatibility version 1.0.0, current version 1.0.0)
    /System/Library/Frameworks/CoreAudio.framework/CoreAudio (compatibility version 1.0.0, current version 1.0.0)
    /System/Library/Frameworks/CoreTelephony.framework/CoreTelephony (compatibility version 1.0.0, current version 0.0.0)
    /System/Library/Frameworks/Security.framework/Security (compatibility version 1.0.0, current version 60157.12.1)
    /System/Library/Frameworks/CFNetwork.framework/CFNetwork (compatibility version 1.0.0, current version 1312.0.0)
    /System/Library/Frameworks/JavaScriptCore.framework/JavaScriptCore (compatibility version 1.0.0, current version 612.1.27)
    /System/Library/Frameworks/CoreText.framework/CoreText (compatibility version 1.0.0, current version 1.0.0)
    /System/Library/Frameworks/CoreImage.framework/CoreImage (compatibility version 1.0.0, current version 5.0.0)
    /System/Library/Frameworks/ImageIO.framework/ImageIO (compatibility version 1.0.0, current version 1.0.0)
    /System/Library/Frameworks/AssetsLibrary.framework/AssetsLibrary (compatibility version 1.0.0, current version 1.0.0)
    /System/Library/Frameworks/Accelerate.framework/Accelerate (compatibility version 1.0.0, current version 4.0.0)
    /System/Library/Frameworks/VideoToolbox.framework/VideoToolbox (compatibility version 1.0.0, current version 1.0.0, weak)
    /System/Library/Frameworks/MobileCoreServices.framework/MobileCoreServices (compatibility version 1.0.0, current version 1141.1.0)
    /System/Library/Frameworks/EventKit.framework/EventKit (compatibility version 1.0.0, current version 1716.0.0)
    /System/Library/Frameworks/Photos.framework/Photos (compatibility version 1.0.0, current version 402.5.140)
    /System/Library/Frameworks/MediaPlayer.framework/MediaPlayer (compatibility version 1.0.0, current version 1.0.0)
    /System/Library/Frameworks/MapKit.framework/MapKit (compatibility version 1.0.0, current version 14.0.0)
    /System/Library/Frameworks/CoreLocation.framework/CoreLocation (compatibility version 1.0.0, current version 2663.0.3)
    /System/Library/Frameworks/CoreData.framework/CoreData (compatibility version 1.0.0, current version 1132.0.0)
    /System/Library/Frameworks/EventKitUI.framework/EventKitUI (compatibility version 1.0.0, current version 1.0.0)
    /System/Library/Frameworks/MessageUI.framework/MessageUI (compatibility version 1.0.0, current version 3693.0.2)
    /System/Library/Frameworks/Social.framework/Social (compatibility version 1.0.0, current version 87.0.0)
    /System/Library/Frameworks/Metal.framework/Metal (compatibility version 1.0.0, current version 257.25.0, weak)
    /System/Library/Frameworks/OpenAL.framework/OpenAL (compatibility version 1.0.0, current version 1.0.0)
    /System/Library/Frameworks/OpenGLES.framework/OpenGLES (compatibility version 1.0.0, current version 1.0.0)
    /System/Library/Frameworks/MediaToolbox.framework/MediaToolbox (compatibility version 1.0.0, current version 1.0.0)
    /System/Library/Frameworks/AdServices.framework/AdServices (compatibility version 1.0.0, current version 1.0.0, weak)
    /System/Library/Frameworks/AppTrackingTransparency.framework/AppTrackingTransparency (compatibility version 1.0.0, current version 1.0.0, weak)
    /usr/lib/libiconv.2.dylib (compatibility version 7.0.0, current version 7.0.0)
    /usr/lib/libsqlite3.dylib (compatibility version 9.0.0, current version 329.0.0)
    /usr/lib/libc++.1.dylib (compatibility version 1.0.0, current version 1200.3.0)
    /usr/lib/libz.1.dylib (compatibility version 1.0.0, current version 1.2.11)
    /usr/lib/libresolv.9.dylib (compatibility version 1.0.0, current version 1.0.0)
    /usr/lib/libxml2.2.dylib (compatibility version 10.0.0, current version 10.9.0)
    /usr/lib/libbz2.1.0.dylib (compatibility version 1.0.0, current version 1.0.8)
    /usr/lib/libSystem.B.dylib (compatibility version 1.0.0, current version 1311.0.0)
    /System/Library/Frameworks/AVKit.framework/AVKit (compatibility version 1.0.0, current version 1.0.0)
    /System/Library/Frameworks/CoreFoundation.framework/CoreFoundation (compatibility version 150.0.0, current version 1854.0.0)
    /usr/lib/libobjc.A.dylib (compatibility version 1.0.0, current version 228.0.0)

注1：Frameworks是一种打包方式，里面既可以是动态库也可以是静态库。它将库的二进制文件，头文件和有关的资源文件打包到一起，方便管理和分发。

注2：如果ipa也可以带有自己的Frameworks动态库，这些动态库会被打进ipa包的Frameworks目录中。

注3：打进ipa包中的动态库Framework的可执行二进制，都需要单独签名，且签名要与应用可执行二进制（UAGame）一致，否则在加载这些动态库时会报如下错误：

'/private/var/containers/Bundle/Application/A0ABF211-972C-4EA3-B60C-5A7CBF0C0C64/UAGame.app/Frameworks/VideoRecord.framework/VideoRecord' (code signature in <26506C81-57B4-320A-956D-46F033F8B76C>
'/private/var/containers/Bundle/Application/A0ABF211-972C-4EA3-B60C-5A7CBF0C0C64/UAGame.app/Frameworks/VideoRecord.framework/VideoRecord' not valid for use in process: mapping process and mapped file (non-platform) have different Team IDs),

xcrun size -lm UAGame-IOS-Shipping // 查看可执行文件UAGame-IOS-Shipping各段的size、起始地址和offset信息

Segment __PAGEZERO: 4294967296 (zero fill)  (vmaddr 0x0 fileoff 0)
Segment __TEXT: 140509184 (vmaddr 0x100000000 fileoff 0)
    Section __text: 123041436 (addr 0x100004000 offset 16384)
    Section __stubs: 96420 (addr 0x10755b69c offset 123057820)
    Section __stub_helper: 17496 (addr 0x107572f40 offset 123154240)
    Section __gcc_except_tab: 1825508 (addr 0x107577398 offset 123171736)
    Section __objc_classname: 67062 (addr 0x107734e7c offset 124997244)
    Section __objc_methname: 596059 (addr 0x107745472 offset 125064306)
    Section __objc_methtype: 389599 (addr 0x1077d6ccd offset 125660365)
    Section __cstring: 4263151 (addr 0x107835eb0 offset 126049968)
    Section __const: 4527489 (addr 0x107c46bc0 offset 130313152)
    Section __ustring: 4655330 (addr 0x108098142 offset 134840642)
    Section __unwind_info: 648680 (addr 0x108508a24 offset 139495972)
    Section __eh_frame: 359932 (addr 0x1085a7010 offset 140144656)
    total 140488162
Segment __DATA: 31440896 (vmaddr 0x108600000 fileoff 140509184)
    Section __got: 18528 (addr 0x108600000 offset 140509184)
    Section __la_symbol_ptr: 64280 (addr 0x108604860 offset 140527712)
    Section __mod_init_func: 19480 (addr 0x108614378 offset 140591992)
    Section __const: 14553312 (addr 0x108619000 offset 140611584)
    Section __cfstring: 473664 (addr 0x1093fa0e0 offset 155164896)
    Section __objc_classlist: 22648 (addr 0x10946db20 offset 155638560)
    Section __objc_nlclslist: 536 (addr 0x109473398 offset 155661208)
    Section __objc_catlist: 280 (addr 0x1094735b0 offset 155661744)
    Section __objc_nlcatlist: 48 (addr 0x1094736c8 offset 155662024)
    Section __objc_protolist: 2872 (addr 0x1094736f8 offset 155662072)
    Section __objc_imageinfo: 8 (addr 0x109474230 offset 155664944)
    Section __objc_const: 2242360 (addr 0x109474238 offset 155664952)
    Section __objc_selrefs: 146928 (addr 0x109697970 offset 157907312)
    Section __objc_protorefs: 320 (addr 0x1096bb760 offset 158054240)
    Section __objc_classrefs: 20936 (addr 0x1096bb8a0 offset 158054560)
    Section __objc_superrefs: 13120 (addr 0x1096c0a68 offset 158075496)
    Section __objc_ivar: 46420 (addr 0x1096c3da8 offset 158088616)
    Section __objc_data: 282008 (addr 0x1096cf300 offset 158135040)
    Section __data: 1099512 (addr 0x1097140a0 offset 158417056)
    Section __thread_vars: 96 (addr 0x109820798 offset 159516568)
    Section __thread_bss: 69 (addr 0x1098207f8 zerofill)
    Section __bss: 10328904 (addr 0x109820840 zerofill)
    Section __common: 2087360 (addr 0x10a1fb000 zerofill)
    total 31423689
Segment __LINKEDIT: 5301728 (vmaddr 0x10a3fc000 fileoff 159531008)
total 4472219104

不同段的说明

段名	类别	说明
__text	__TEXT	主程序代码 otool -tv ./UAGame-IOS-Shipping // 查看可执行文件UAGame-IOS-Shipping代码段反编译内容
__stubs	__TEXT	__stubs是一个表，每项是一小段会直接跳入laze binding的表对应项指针指向地址的代码（桩代码），存储外部函数 otool ./UAGame-IOS-Shipping -s __TEXT __stubs
__stub_helper	__TEXT	辅助函数，上述提到的laze binding的表中对应项的指针在没有找到真正的符号地址的时候，都指向这里 otool -v ./UAGame-IOS-Shipping -s __TEXT __stub_helper
__gcc_except_tab	__TEXT	gcc异常表
__objc_classname	__TEXT	OC类名和用到的系统Protocol名称
__objc_methname	__TEXT	OC方法名称
__objc_methtype	__TEXT	OC方法类型
__cstring	__TEXT	C语言字符串
__const	__TEXT	const 关键字修饰的常量
__ustring	__TEXT	unicode字符串
__unwind_info	__TEXT	用来存储处理异常情况信息
__eh_frame	__TEXT	调试符号信息
__got	__DATA	用来存放外部全局变量/常量的最终地址值。在程序运行前（加载时）就会被绑定（non-lazy binding）对于程序段__text里的代码，对外部数据型符号的引用，会指向__got段可以把__got看作是一个表，每个条目是一个地址值。在符号绑定（binding）前，__got里所有条目的内容都是 0 当镜像被加载时，dyld 会对__got每个条目所对应的符号进行重定位，将其真正的地址填入，作为条目的内容。 otool ./UAGame-IOS-Shipping -s __DATA __got
__la_symbol_ptr	__DATA	lazy绑定符号指针，表中的指针一开始都指向__stub_helper otool ./UAGame-IOS-Shipping -s __DATA __la_symbol_ptr
__nl_symbol_ptr	__DATA	非lazy绑定符号指针，表中的数据为绑定后的地址（在加载时绑定好）注：__got是为__text代码段中的符号服务的，而__nl_symbol_ptr不是
__mod_init_func	__DATA	初始化函数，C++静态初始化、attribute等
__mod_term_func	__DATA	终止函数，main函数返回之后调用
__const	__DATA	未初始化过的常量
__cfstring	__DATA	CFStringRefs字符串
__objc_classlist	__DATA	OC类列表
__objc_nlclslist	__DATA	实现了+(void)load方法的类注1：load方法是OC中一个特殊方法，在main函数之前，装载类信息时就会调用执行注2：load方法可以继承。调用子类的load方法之前，会先调用父类的load方法。
__objc_catlist	__DATA	记录所有Category（分类）注：Category只能为已经存在的类添加方法，而不能添加成员变量
__objc_nlcatlist	__DATA	实现了+(void)load方法的Category（分类）注1：Category（分类）也可以有load方法注2：优先调用类的load方法，之后再调用Category（分类）的load方法
__objc_protolist	__DATA	OC原型列表
__objc_imageinfo	__DATA	OC二进制信息
__objc_const	__DATA	OC常量
__objc_selrefs	__DATA	OC self引用
__objc_protorefs	__DATA	OC原型引用
__objc_classrefs	__DATA	OC原型引用（类方法）
__objc_superrefs	__DATA	OC超类引用
__objc_ivar	__DATA	OC成员变量
__objc_data	__DATA	OC类信息，包括Meta_Class
__data	__DATA	初始化过的全局变量
__thread_vars	__DATA	与线程局部存储（TLS）有关
__thread_data	__DATA	同上
__thread_bss	__DATA	同上
__bss	__BSS	未初始化过或初始化为0的全局变量
__common	__BSS	未初始化过的符号声明
Dynamic Loader Info		动态加载信息 ① Rebase info：修复的是指向当前镜像内部的资源指针（mach-o每次加载到内存中不是固定的地址） ② Binding info：将外部符号进行绑定的过程 ③ Weak Binding Info：针对弱符号进行绑定的过程，在c语言中，函数、初始化的全局变量、static变量是强符号，未初始化的全局变量是弱符号。 weakBinding这一步会把镜像中所有含有弱符号的映像合并成一个列表，再进行binding.。所以这一步放在最后，等加载完成后在做操作。 ④ Lazy Binding Info：在加载动态库的时候不会立即binding, 当时当第一次调用这个方法的时候再实施binding。 ⑤ Export Info：导出的函数
Function Starts		入口函数
Data in Code Entries		代码入口数据
Symbol Table		所有符号表信息。包含调试符号、导出符号（MachOView中底色为黄色）和导入符号（MachOView中底色为绿色）注：debug版在该Table中会包含大量调试符号 nm UAGame-IOS-Shipping // 查看可执行文件UAGame-IOS-Shipping中的符号注：从Xcode8开始，苹果在mac上nm工具使用的就是llvm-nm工具 // 更多详见：mac下nm命令详解 0000000100d523f8 T __Z11fMultIfloorii // T为导出符号(函数) 0000000100d57da0 T __Z12cplxMultDiv2PiS_ii8FIXP_DPK 0000000100d4e044 T __Z12cplxMultDiv2PiS_iiii 0000000100d4dfdc T __Z12fMultAddDiv2iii 0000000100d23f7c T __Z12fPow2AddDiv2ii 0000000100d2d770 T __Z13fixmuldiv2_DDii 0000000100d61ed0 T __Z13fixmuldiv2_DSis 0000000100d31978 T __Z13fixmuldiv2_SDsi 0000000100d42d7c T __Z13fixmuldiv2_SSss 0000000100d23fa8 T __Z13fixpadddiv2_Dii 0000000100d322b4 T __Z13fixpow2div2_Di 。。。。。。 000000010a874a50 D _gSimd4fEpsilon // D为导出符号(变量） 000000010a874a60 D _gSimd4fFloatMax 000000010a874a20 D _gSimd4fHalf 000000010a874a70 D _gSimd4fMaskX 000000010a874a90 D _gSimd4fMaskXYZ 000000010a874a10 D _gSimd4fMinusOne 000000010a874a40 D _gSimd4fPi 000000010a874a30 D _gSimd4fTwo 000000010a874aa8 D _gSimd4iOne 。。。。。。 U _xmlReadMemory // U为导入符号 U _xmlSearchNs U _xmlSearchNsByHref U _xmlSetNs U _xmlSetTreeDoc U _xmlStrEqual
Dynamic Symbol Table		动态符号表。只包含导出符号和导入符号
String Table		符号名表

Category（分类）

运行时（runtime）会将Category（分类）结构体中的instanceMethods（实例方法）, protocols（协议），instanceProperties（实例属性注：实例属性不是实例变量）添加到target class的实例方法列表，协议列表，属性列表中，

会将Category（分类）结构体中的classMethods（类方法）添加到target class所对应的元类的实例方法列表中。

经过这一番修改，Category（分类）中的方法，就变成了target class方法列表中的一部分。

Lazy Binding

首次访问外部的_say函数时：
① _say对应的__la_symbol_ptr条目内容指向到__stub_helper
② __stub_helper里的代码逻辑，通过各种辗转最终调用dyld_stub_binder函数（dyld_stub_binder函数定义于dyld_stub_binder.S，由 dyld 提供）
③ dyld_stub_binder函数通过调用 dyld 内部的函数找到_say符号的真实地址
④ dyld_stub_binder将地址写入__la_symbol_ptr条目
⑤ dyld_stub_binder跳转到_say符号的真实地址

之后再次访问_say函数时，__stubs 里的 jmp 指令直接跳转符号的真实地址，因为该地址已经被写到__la_symbol_ptr条目中。

不同配置的统计项的大小

统计项	Debug	Development	Test	Shipping
可执行文件大小	879 MB	509 MB	396 MB	154 MB
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