初始mach-o文件及在項目中應用

認識mach-o的必要性

了解mach-o的結構可以幫助認識系統加載二進制文件的動態鏈接和靜態鏈接。應用層面，使用initialize的c 函數計算啟動時間耗時也需要以mach-o的結構知識為鋪墊。還可以用在使用clang自註冊啟動任務上。後續會一一展開說明。

mach-o的定義

mach-o是mach object的縮寫，是存儲程序或庫的標準格式。app的mach-o又稱為可執行文件，靜態庫的.a文件也為mach-o文件，還有諸如此類的一些文件。

.o目標文件：MH_OBJECT
靜態庫文件.a : MH_OBJECT
可執行文件：MH_EXECUTE
動態庫：MH_DYLIB
dyld：MH_DYLINKER
符號信息：MH_DSYM。可在loader.h的源碼中看到全部的mach-o文件。

想要深入了解mach-o，可以自己創建一個，在xocde的build setting --> mach-o type 下選擇類型，依據xcode的提示步驟可以創建出。如果已經有了文件，想知道是否為mach-o,也可以使用xcode打開文件，在build setting --> mach-o type下查看屬於哪種類型。xcode

的查看示意見下圖：

mach-o的結構

查看mach-o的內部結構需要借助於工具mach-o View下載地址。目前下載下來之後需要在mac上運行使用。舉例，使用mach-o View查看app的可執行文件，首先需要編譯項目，這樣會生成.app文件，然後項目中搜索.app：

右鍵show in finder,就會找到app包。如下圖：

查找可執行文件，文件以項目名稱命名的。下圖中第一個就是：

通過打開mach-o View可以看到，mach-o分為三大部分，無論是什麼類型的mach-o文件，都分為3大部分。

mach-o header 描述了Mach-o的cpu框架以及加載命令等信息；
load Commands 記錄虛擬內存中的佈局例如有哪些段，段從哪開始，段占用多大空間；
data 記錄段的具體數據。如下圖，三大部分在mach-o中分佈：

1、第一部分：mach-o Header 詳解

mach-o header 的結構如下圖中紅框展示：

magic number ：系統加載器通過該字段判斷文件適用於32位還是64位；
cpu type：cpu類型，該字段確保系統可以將合適的二進制文件在當下架構下進行，為x86,arm64等；
file type :說明文件類型（可執行文件、庫文件、核心轉儲文件、內核擴展文件、DYSM文件、動態庫等）mach-o為MH-EXECUTE.；
number of load command 說明加載命令的條數；
size of load commands 表示加載命令的大小；

如上所述，header介紹了文件的基礎信息。

2、第二部分：mach-o內容

mach-o的內容部分分為load commands和 data。

load commands 如圖所示：

每一個命令的含義下表：

命令名稱命令含義LC_SEGMENT_64將文件中的段映射到進程地址空間LC_DYLD_INFO_ONLYdyld相關信息LC_SYMTAB加載全局符號表信息LC_DYSYMTAB動態鏈接符號表信息LC_DYLD_INFO_ONLYdyld相關信息LC_LOAD_DYLINKER加載一個動態鏈接器，也就是加載dyldLC_UUIDapp的uuidLC_VERSION_MIN_IPHONEOS支持最低系統版本LC_MAIN設置程序主線程的入口地址LC_LOAD_DYLIB（動態庫名稱）加載相應的動態庫LC_FUNCTION_STARTS函數啟示地址表LC_CODE_SIGNATURE代碼簽名

loader.h文件中可查看命令的官方註釋。

data部分的內容如圖所示：

如圖所示，data有2種段數據，一種為__TEXT段，一種為__DATA段。__text段是Mach-O文件中存儲代碼的一個特定段，它包含了程序的實際可執行代碼。在__text段中，存儲了程序的實際指令和函數定義。當程序被加載到內存中並執行時，操作系統會將__text段中的代碼加載到內存中，並按照指令逐條執行，從而實現程序的功能。 __text段通常是以隻讀方式存儲在Mach-O文件中，以確保代碼的完整性和安全性。這意味著在程序運行時，__text段中的代碼是不可被修改的，這有助於防止惡意軟件對程序代碼進行篡改。__data段是用來存儲程序的靜態數據的一個特定段。__data段包含了程序中的靜態全局變量、靜態局部變量和其他靜態數據，這些數據在程序運行時需要被初始化和使用。與代碼段__text不同，__data段存儲的是程序運行時需要進行讀寫操作的數據。

__text各個段的含義：

名稱作用TEXT.text隻有可執行的機器碼TEXT.cstring去重後的C字符串TEXT.const初始化過的常量TEXT.stubs符號樁。本質上是一小段會直接跳入lazybinding的表對應項指針指向的地址的代碼。TEXT.stub_helper輔助函數。上述提到的lazybinding的表中對應項的指針在沒有找到真正的符號地址的時候，都指向這。TEXT.unwind_info用於存儲處理異常情況信息TEXT.eh_frame調試輔助信息_objc_classname類名稱objc_methlist方法列表

__text段在mach-o中的釋義：

__data 各個段的含義：

名稱	作用
DATA.data	初始化過的可變的數據
DATA.nl_symbol_ptr	非lazy-binding的指針表，dyld 加載會立即綁定
DATA.la_symbol_ptr	lazy-binding的指針表，每個表項中的指針一開始指向stub_helper
DATA.const	沒有初始化過的常量
DATA.mod_init_func	初始化函數，在main之前調用
DATA.mod_term_func	終止函數，在main返回之後調用
DATA.bss	沒有初始化的靜態變量
DATA.common	沒有初始化過的符號聲明
DATA.__objc_nlclslist	實現了 load 方法的類

__data 在mach-o中的展示：

mach-o的應用

認識了mach-o，可以將其運用在統計啟動時期c static initializer 階段耗時。c static initializer 階段系統做了什麼，一個是c 的構造函數屬性函數，一個是非基礎類型的c

靜態全局變量的創建（通常是類或結構體）。在構造函數上打斷點，可以得到如圖：

從dyld的源碼中可以看到doModeInitFunction()

的具體執行。如下圖所示：

從dyld的源碼中可以看出，取出mod_init_func section 中的元素並執行。可以看出，mod_init_func section中存儲的是函數地址，類型為initialize.了解這些之後，自己寫一個帶有計時的start和end函數，並在中間調用源函數地址。然後hook mod_init_func 中的所有地址，並替換執行自己的函數。步驟如下：

hook mod_init_func中的所有地址。因為__mod_init_func section 位於__DATAsegment.__DATA segment 是數據段，是可以在運行時被修改的。並且， load方法的執行是在dyld讀取這些initializer之前。所以hook mod_init_func中的所有地址是可行的；
修改mod_init_func數據。利用getsectiondata獲取到segment的每一個數據，將自己寫的方法替換表中的方法；
調用原來的initializer。自己的Initializer中逐個獲取每一個原函數地址，調用並計算耗時獲取。

通過以上步驟，我們可以得出這一項的耗時，從而做出優化。

認識mach-o，是註冊啟動任務的必備知識。做註冊啟動任務的必要性有兩點。

啟動代碼集中在AppDelegate中，代碼逐漸臃腫，易讀性降低,且代碼之間耦合度高；
各個業務方加啟動任務，都需要啟動業務配合。

我們利用mach-o結構的__DATA可讀寫性。所以可以通過clang的section函數在編譯階段寫入macho文件中一個__DATA段。__DATA段存儲函數指針的指針。具體的使用步驟為：

編寫註冊方法的宏，提供給外部使用；
業務方註冊任務，註冊的每個時機都會在編譯期間新增一個__DATA類型section，存儲任務函數；
App運行，在註冊的時機函數中使用getsectbynamefromheader_64遍歷取出相應Section中的函數,並依次執行。

代碼如下：

static void Launch_Func_(void);\
__attribute__((used, section("__DATA, "#period""))) static const void * __Func__= Launch_Func_;\
static void Launch_Func_(void)
#define RegisterLaunchTaskOnWillFinishLaunchPeriod\
        RegisterLaunchTask(willFinishLaunch)
#define RegisterLaunchTaskOnDidFinishLaunchPeriod\
        RegisterLaunchTask(didFinishLaunch)
#define RegisterLaunchTaskOnDidFinishADPeriod\
        RegisterLaunchTask(didFinishAD)
#define RegisterLaunchTaskOnDidFinishHomepagePeriod\
        RegisterLaunchTask(didFinishHome)

各個業務的使用代碼如下：

RegisterLaunchTaskOnDidFinishHomepagePeriod{
    /*do sth*/
}

參考資料：

1.https://everettjf.github.io/2017/02/06/a-method-of-hook-static-2.initializers/# https://github.com/fangshufeng/MachOView

作者:李贊

來源:微信公眾號:搜狐技術產品

出處
:https://mp.weixin.qq.com/s/c3bgebQUcXXetiFAdiXjsQ