• mach-o格式分析

    0x00 摘要

    人生无根蒂，飘如陌上尘。 分散逐风转，此已非常身。

    — 陶渊明 《杂诗》

    mach-o格式是OS X系统上的可执行文件格式，类似于windows的PE与linux的ELF，如果不彻底搞清楚mach-o的格式与相关知识，去做其他研究，无异于建造空中阁楼。

    每个Mach-O文件斗包含一个Mach-O头，然后是载入命令(Load Commands),最后是数据块(Data)。

    接下来就对整个Mach-O的格式做出详细的分析。

    0x01 Mach-O格式简单介绍

    Mach-O文件的格式如下图所示：

    又如下几个部分组成：

    • Header：保存了Mach-O的一些基本信息，包括了平台、文件类型、LoadCommands的个数等等。
    • LoadCommands：这一段紧跟Header，加载Mach-O文件时会使用这里的数据来确定内存的分布。
    • Data：每一个segment的具体数据都保存在这里，这里包含了具体的代码、数据等等。

    0x02 Headers

    2.1 数据结构

    Headers的定义可以在开源的内核代码中找到。

    1
    2
    3
    4
    5
    6
    7
    8
    9
    10
    11
    12
    13
    14
    15
    16
    17
    18
    19
    20
    21
    22
    23
    24
    25
    26
    27
    28
    29
    30
    31
    32
    33
    34
    35
    36
    		 

     * The 32-bit mach header appears at the very beginning of the object file for
     * 32-bit architectures.
     */
    struct mach_header {
    	uint32_t	magic;		
    	cpu_type_t	cputype;	
    	cpu_subtype_t	cpusubtype;	
    	uint32_t	filetype;	
    	uint32_t	ncmds;		
    	uint32_t	sizeofcmds;	
    	uint32_t	flags;		
    };


    #define	MH_MAGIC	0xfeedface	
    #define MH_CIGAM	0xcefaedfe	


     * The 64-bit mach header appears at the very beginning of object files for
     * 64-bit architectures.
     */
    struct mach_header_64 {
    	uint32_t	magic;		
    	cpu_type_t	cputype;	
    	cpu_subtype_t	cpusubtype;	
    	uint32_t	filetype;	
    	uint32_t	ncmds;		
    	uint32_t	sizeofcmds;	
    	uint32_t	flags;		
    	uint32_t	reserved;	
    };


    #define MH_MAGIC_64 0xfeedfacf 
    #define MH_CIGAM_64 0xcffaedfe

    根据mach_header与mach_header_64的定义，很明显可以看出，Headers的主要作用就是帮助系统迅速的定位Mach-O文件的运行环境，文件类型。

    2.2 实例

    使用工具分析一个mach-o文件来具体的看一下Mach-O Headers。

    通过otool可以得到Mach header的具体的情况，但是可读性略微有一点差。

    1
    2
    3
    4
    5
    		 
    ➜  bin otool -h git
    git:
    Mach header
          magic cputype cpusubtype  caps    filetype ncmds sizeofcmds      flags
     0xfeedfacf 16777223          3  0x80           2    17       1432 0x00200085

    还有一个工具是MachOview可以看的更清楚一点。

    • MagicNumber的值为0xFEEDFACF所以该文件是一个64位平台上的文件
    • CPU Type和CPU SubType也很容易理解，运行在X86_64的CPU平台上
    • File Type标示了该文件是一个可执行文件，后面具体分析
    • Flags标示了这个MachO文件的四个特性，后面具体分析

    2.3 具体参数

    2.3.1 FileType

    因为Mach-O文件不仅仅用来实现可执行文件，同时还用来实现了其他内容

    • 内核扩展
    • 库文件
    • CoreDump
    • …

    他的源码定义如下：

    解释一下一些常用到的文件类型。

    File Type用处例子
    MH_OBJECT 编译过程中产生的*.obj文件 gcc -c xxx.c 生成xxx.o文件
    MH_EXECUTABLE 可执行二进制文件 /usr/bin/git
    MH_CORE CoreDump 崩溃时的Dump文件
    MH_DYLIB 动态库 /usr/lib/里面的那些库文件
    MH_DYLINKER 连接器linker /usr/lib/dyld文件
    MH_KEXT_BUNDLE 内核扩展文件 自己开发的简单内核模块

    2.3.2 flags

    Mach-O headers还包含了一些很重要的dyld的加载参数。代码中的定义如下：

    1
    2
    3
    4
    5
    6
    7
    8
    9
    10
    11
    12
    13
    14
    15
    16
    17
    18
    19
    20
    21
    22
    		 
    #define	MH_INCRLINK	0x2		
    					   incremental link against a base file
    					   and can't be link edited again */
    #define MH_DYLDLINK	0x4		
    					   dynamic linker and can't be staticly
    					   link edited again */
    #define MH_BINDATLOAD	0x8		
    					   references are bound by the dynamic
    					   linker when loaded. */
    #define MH_PREBOUND	0x10		
    					   references prebound. */
    #define MH_SPLIT_SEGS	0x20		
    					   read-write segments split */
    #define MH_LAZY_INIT	0x40		
    					   to be run lazily via catching memory
    					   faults to its writeable segments
    					   (obsolete) */
    #define MH_TWOLEVEL	0x80		
    					   space bindings */
    ...

    同样简单的介绍几个比较重要的。

    Flag Type含义
    MH_NOUNDEFS 目标没有未定义的符号，不存在链接依赖
    MH_DYLDLINK 该目标文件是dyld的输入文件，无法被再次的静态链接
    MH_PIE 允许随机的地址空间
    MH_ALLOW_STACK_EXECUTION 栈内存可执行代码，一般是默认关闭的。
    MH_NO_HEAP_EXECUTION 堆内存无法执行代码

    2.4 Headers小结

    0x03 Load Commands

    这是load_command的数据结构

    1
    2
    3
    4
    		 
    struct load_command {
    	uint32_t cmd;		
    	uint32_t cmdsize;	
    };

    Load Commands 直接就跟在Header后面，所有command占用内存的总和在Mach-O Header里面已经给出了。在加载过Header之后就是通过解析LoadCommand来加载接下来的数据了。我简单的看了一下内核中是如何解析macho数据的，抛开内核的实现细节，逻辑其实也十分简单。

    1
    2
    3
    4
    5
    6
    7
    8
    9
    10
    11
    12
    13
    14
    15
    16
    17
    18
    19
    20
    21
    22
    23
    24
    25
    26
    27
    28
    29
    30
    31
    32
    33
    34
    35
    36
    37
    38
    39
    40
    41
    42
    43
    44
    45
    46
    47
    48
    49
    50
    51
    52
    53
    54
    55
    56
    57
    58
    59
    60
    61
    62
    63
    64
    65
    66
    67
    68
    69
    70
    71
    72
    73
    74
    75
    76
    77
    78
    79
    80
    81
    82
    83
    84
    85
    86
    87
    88
    89
    90
    91
    92
    93
    94
    95
    96
    97
    98
    99
    100
    101
    102
    103
    104
    105
    106
    107
    108
    109
    110
    111
    112
    113
    114
    115
    116
    117
    118
    119
    120
    121
    122
    123
    124
    125
    126
    127
    128
    129
    130
    131
    132
    133
    134
    135
    136
    137
    138
    139
    140
    141
    142
    143
    144
    145
    146
    147
    148
    149
    150
    151
    152
    153
    154
    155
    156
    157
    158
    159
    160
    161
    162
    163
    164
    165
    166
    167
    168
    169
    170
    171
    172
    		 
    static
    load_return_t
    parse_machfile(
    	struct vnode 		*vp,       
    	vm_map_t		map,
    	thread_t		thread,
    	struct mach_header	*header,
    	off_t			file_offset,
    	off_t			macho_size,
    	int			depth,
    	int64_t			aslr_offset,
    	int64_t			dyld_aslr_offset,
    	load_result_t		*result
    )
    {
    	[...] 

    		
    		 * Loop through each of the load_commands indicated by the
    		 * Mach-O header; if an absurd value is provided, we just
    		 * run off the end of the reserved section by incrementing
    		 * the offset too far, so we are implicitly fail-safe.
    		 */
    		offset = mach_header_sz;
    		ncmds = header->ncmds;

    		while (ncmds--) {
    			
    			 *	Get a pointer to the command.
    			 */
    			lcp = (struct load_command *)(addr + offset);
    			
    			oldoffset = offset;
    			
    			offset += lcp->cmdsize;
    			
    			
    			 * Perform prevalidation of the struct load_command
    			 * before we attempt to use its contents.  Invalid
    			 * values are ones which result in an overflow, or
    			 * which can not possibly be valid commands, or which
    			 * straddle or exist past the reserved section at the
    			 * start of the image.
    			 */
    			if (oldoffset > offset ||
    			    lcp->cmdsize < sizeof(struct load_command) ||
    			    offset > header->sizeofcmds + mach_header_sz) {
    				ret = LOAD_BADMACHO;
    				break;
    			}
    			

    			
    			 * Act on struct load_command's for which kernel
    			 * intervention is required.
    			 */
    			switch(lcp->cmd) {
    			case LC_SEGMENT:
    				[...]
    				ret = load_segment(lcp,
    				                   header->filetype,
    				                   control,
    				                   file_offset,
    				                   macho_size,
    				                   vp,
    				                   map,
    				                   slide,
    				                   result);
    				break;
    			case LC_SEGMENT_64:
    				[...]
    				ret = load_segment(lcp,
    				                   header->filetype,
    				                   control,
    				                   file_offset,
    				                   macho_size,
    				                   vp,
    				                   map,
    				                   slide,
    				                   result);
    				break;
    			case LC_UNIXTHREAD:
    				if (pass != 1)
    					break;
    				ret = load_unixthread(
    						 (struct thread_command *) lcp,
    						 thread,
    						 slide,
    						 result);
    				break;
    			case LC_MAIN:
    				if (pass != 1)
    					break;
    				if (depth != 1)
    					break;
    				ret = load_main(
    						 (struct entry_point_command *) lcp,
    						 thread,
    						 slide,
    						 result);
    				break;
    			case LC_LOAD_DYLINKER:
    				if (pass != 3)
    					break;
    				if ((depth == 1) && (dlp == 0)) {
    					dlp = (struct dylinker_command *)lcp;
    					dlarchbits = (header->cputype & CPU_ARCH_MASK);
    				} else {
    					ret = LOAD_FAILURE;
    				}
    				break;
    			case LC_UUID:
    				if (pass == 1 && depth == 1) {
    					ret = load_uuid((struct uuid_command *) lcp,
    							(char *)addr + mach_header_sz + header->sizeofcmds,
    							result);
    				}
    				break;
    			case LC_CODE_SIGNATURE:
    				[...]
    				ret = load_code_signature(
    					(struct linkedit_data_command *) lcp,
    					vp,
    					file_offset,
    					macho_size,
    					header->cputype,
    					result);
    				[...]
    				break;
    #if CONFIG_CODE_DECRYPTION
    			case LC_ENCRYPTION_INFO:
    			case LC_ENCRYPTION_INFO_64:
    				if (pass != 3)
    					break;
    				ret = set_code_unprotect(
    					(struct encryption_info_command *) lcp,
    					addr, map, slide, vp, file_offset,
    					header->cputype, header->cpusubtype);
    				if (ret != LOAD_SUCCESS) {
    					printf("proc %d: set_code_unprotect() error %d "
    					       "for file "%s"
",
    					       p->p_pid, ret, vp->v_name);
    					
    					 * Don't let the app run if it's 
    					 * encrypted but we failed to set up the
    					 * decrypter. If the keys are missing it will
    					 * return LOAD_DECRYPTFAIL.
    					 */
    					 if (ret == LOAD_DECRYPTFAIL) {
    						
    						proc_lock(p);
    						p->p_lflag |= P_LTERM_DECRYPTFAIL;
    						proc_unlock(p);
    					 }
    					 psignal(p, SIGKILL);
    				}
    				break;
    #endif
    			default:
    				
    				ret = LOAD_SUCCESS;
    				break;
    			}
    			if (ret != LOAD_SUCCESS)
    				break;
    		}
    		if (ret != LOAD_SUCCESS)
    			break;
    	}

    	[...] 
    }

    3.1cmdsize字段

    这里主要看while循环刚刚进入的时候几行代码,来理解是如何通过load_command的cmd字段来解析Macho文件的数据。

    3.2 cmd字段

    1
    2
    3
    4
    5
    6
    7
    8
    9
    10
    11
    12
    13
    14
    15
    16
    17
    18
    19
    20
    21
    22
    23
    24
    25
    26
    27
    28
    29
    30
    31
    32
    33
    34
    35
    36
    37
    38
    39
    40
    41
    42
    43
    44
    45
    46
    47
    48
    49
    50
    51
    52
    53
    54
    55
    56
    57
    58
    59
    60
    61
    62
    63
    64
    65
    66
    67
    68
    69
    70
    71
    72
    73
    74
    75
    76
    77
    78
    79
    80
    81
    82
    83
    84
    85
    86
    87
    88
    89
    90
    91
    92
    93
    94
    95
    96
    97
    98
    99
    100
    101
    102
    103
    104
    105
    106
    107
    		 
    switch(lcp->cmd) {
    			case LC_SEGMENT:
    				[...]
    				ret = load_segment(lcp,
    				                   header->filetype,
    				                   control,
    				                   file_offset,
    				                   macho_size,
    				                   vp,
    				                   map,
    				                   slide,
    				                   result);
    				break;
    			case LC_SEGMENT_64:
    				[...]
    				ret = load_segment(lcp,
    				                   header->filetype,
    				                   control,
    				                   file_offset,
    				                   macho_size,
    				                   vp,
    				                   map,
    				                   slide,
    				                   result);
    				break;
    			case LC_UNIXTHREAD:
    				if (pass != 1)
    					break;
    				ret = load_unixthread(
    						 (struct thread_command *) lcp,
    						 thread,
    						 slide,
    						 result);
    				break;
    			case LC_MAIN:
    				if (pass != 1)
    					break;
    				if (depth != 1)
    					break;
    				ret = load_main(
    						 (struct entry_point_command *) lcp,
    						 thread,
    						 slide,
    						 result);
    				break;
    			case LC_LOAD_DYLINKER:
    				if (pass != 3)
    					break;
    				if ((depth == 1) && (dlp == 0)) {
    					dlp = (struct dylinker_command *)lcp;
    					dlarchbits = (header->cputype & CPU_ARCH_MASK);
    				} else {
    					ret = LOAD_FAILURE;
    				}
    				break;
    			case LC_UUID:
    				if (pass == 1 && depth == 1) {
    					ret = load_uuid((struct uuid_command *) lcp,
    							(char *)addr + mach_header_sz + header->sizeofcmds,
    							result);
    				}
    				break;
    			case LC_CODE_SIGNATURE:
    				[...]
    				ret = load_code_signature(
    					(struct linkedit_data_command *) lcp,
    					vp,
    					file_offset,
    					macho_size,
    					header->cputype,
    					result);
    				[...]
    				break;
    #if CONFIG_CODE_DECRYPTION
    			case LC_ENCRYPTION_INFO:
    			case LC_ENCRYPTION_INFO_64:
    				if (pass != 3)
    					break;
    				ret = set_code_unprotect(
    					(struct encryption_info_command *) lcp,
    					addr, map, slide, vp, file_offset,
    					header->cputype, header->cpusubtype);
    				if (ret != LOAD_SUCCESS) {
    					printf("proc %d: set_code_unprotect() error %d "
    					       "for file "%s"
",
    					       p->p_pid, ret, vp->v_name);
    					
    					 * Don't let the app run if it's 
    					 * encrypted but we failed to set up the
    					 * decrypter. If the keys are missing it will
    					 * return LOAD_DECRYPTFAIL.
    					 */
    					 if (ret == LOAD_DECRYPTFAIL) {
    						
    						proc_lock(p);
    						p->p_lflag |= P_LTERM_DECRYPTFAIL;
    						proc_unlock(p);
    					 }
    					 psignal(p, SIGKILL);
    				}
    				break;
    #endif
    			default:
    				
    				ret = LOAD_SUCCESS;
    				break;
    			}

    从这一段代码可以看出，根据cmd字段的类型不同，使用了不同的函数来加载。简单的列出一张表看一看在内核代码中不同的command类型都有哪些作用。

    Command类型处理函数用途
    LC_SEGMENT；LC_SEGMENT_64 load_segment 将segment中的数据加载并映射到进程的内存空间去
    LC_LOAD_DYLINKER load_dylinker 调用/usr/lib/dyld程序
    LC_UUID load_uuid 加载128-bit的唯一ID
    LC_THREAD load_thread 开启一个MACH线程，但是不分配栈空间。
    LC_UNIXTHREAD load_unixthread 开启一个UNIX线程
    LC_CODE_SIGNATURE load_code_signature 进行数字签名
    LC_ENCRYPTION_INFO set_code_unprotect 加密二进制文件

    0x04 Segment&Section

    加载数据时，主要加载的就是LC_SEGMET活着LC_SEGMENT_64。其他的Segment的用途在上一节已经简单的介绍了，这里不做深究。

    LCSEGMENT以及LC_SEGMENT_64的数据结构是这样的。

    可以看出，这里大部分的数据是用来帮助内核将Segment映射到虚拟内存的。主要要关注的是nsects

    字段，标示了Segment中有多少secetion。section是具体有用的数据存放的地方。

    Section的数据结构如下：

    除了同样有帮助内存映射的变量外，在了解Mach-O格式的时候，只需要知道不同的Section有着不同的作用就可以了。

    Section作用
    __text 代码
    __cstring 硬编码的字符串
    __const const 关键词修饰过的变量
    __DATA.__bss bss段

    因为section类型已经是最小的分类了，还有更多复杂section段就不一一例举了，遇到没见过的section类型可以自行查找Apple文档。

    0x05 小结

    通过对Mach-O格式的仔细分析，可以更好的理解Mach-O文件的加载过程，为研究dyld或者其他OS X系统下的模块打好基础。

    参考

    1.mach-o文件加载的全过程(1)

    http://dongaxis.github.io/2015/01/01/mac-o%E6%96%87%E4%BB%B6%E5%8A%A0%E8%BD%BD%E7%9A%84%E5%85%A8%E8%BF%87%E7%A8%8B-1/

    2.Mach-O 可执行文件

    http://objccn.io/issue-6-3/

    3.iPhone Mach-O文件格式与代码签名

    http://zhiwei.li/text/2012/02/15/iphone-mach-o%E6%96%87%E4%BB%B6%E6%A0%BC%E5%BC%8F%E4%B8%8E%E4%BB%A3%E7%A0%81%E7%AD%BE%E5%90%8D/

    4.Dynamic Linking of Imported Functions in Mach-O

    http://www.codeproject.com/Articles/187181/Dynamic-Linking-of-Imported-Functions-in-Mach-O

    5.otool详解Mach-o文件头部

    http://www.mc2lab.com/?p=68

    PS:

    更多文章可以在我的学习分享博客http://BLOGIMAGE/
  • 相关阅读:
    报表图片不显示的问题（一）
    数据库时区问题
    变色
    给div加滚动条,当内容超过它的范围的时候
    Apple Style Effect
    easyui发生重叠现象的原因
    mysql 获取字符串长度
    纯css的带下拉菜单的导航条
    jQuery验证控件jquery.validate.js使用说明+中文API
    background-position 用法详细介绍
  • 原文地址：https://www.cnblogs.com/feng9exe/p/8258786.html
Copyright © 2020-2023  润新知