iOS系统分析（二）Mach-O二进制文件解析

原文出自【听云技术博客】：http://blog.tingyun.com/web/article/detail/1341

 

0x01  Mach-O格式简单介绍

Mach-O文件格式是 OS X 与 iOS 系统上的可执行文件格式，类似于windows的 PE 文件 与 Linux（其他 Unix like）的 ELF 文件，如果不彻底搞清楚Mach-O的格式与相关内容，那么深入研究 xnu 内核就无从谈起。

Mach-O文件的格式如下图所示：

有如下几个部分组成：

1. 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。

2. 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。

3. 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 FAT二进制数据 ，数据结构定义在 \<mach-o/fat.h\>

1. 第一段为magic 魔数,这里注意大小端，读出来之后需要看下是0xCAFEBABE还是 0xBEBAFECA（否则即为thin），需要根据这个来转后续读取的字节的字节序。  可以看出来 前4byte 为 0xBEBAFECA ，说明为fat。

2. 第二段为arch count，也就是该App或dSYM中包含哪些CPU架构，比如armv7、arm64等，这个例子中为2（后4byte  0x 00 00 00 02），表示包含了两种cpu架构。  

  `sizeof(struct fat-header) = 8byte`

3. 后续段中包含cputype（0x  0C 00  00 01）、cpusubtype (0x 00 00 00 00)、offset (0x 00 10 00  00)、size(0x 00  F0 27 00)等数据，根据fat中的结构定义，依次读取，这里需要说明的是，如果只包含一种CPU架构的话，是没有这段fat头定义的，可以跳过这部分，直接读取Arch数据。

   `sizeof(struct fat-arch) = 20byte`

4. 根据fat头中读取的offset数据，我们可以跳到文件对应的arch数据的位置，当然如果只有一种架构的话就不需要计算偏移量了。 下图给出解析的函数

0x03 Mach Header二进制数据

通过magic我们可以区分出是32-bit还是64-bit，64-bit多了4个字节的保留字段，这里同样需要注意字节序的问题，也就是判断magic，来确定是否需要转换字节序。  

`sizeof(struct mach-header-64) = 32byte`  ; `sizeof(struct mach-header) = 28byte`

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。

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

1. 内核扩展

2. 库文件

3. CoreDump

4.  其它

下面是一些精彩用到的文件类型

1. MH-OBJECT    编译过程中产生的  obj文件 (gcc -c xxx.c 生成xxx.o文件)

2. MH-EXECUTABLE  可执行二进制文件 (/usr/bin/ls)

3. MH-CORE      CoreDump (崩溃时的Dump文件)

4. MH-DYLIB  动态库(/usr/lib/里面的那些共享库文件)

5. MH-DYLINKER  连接器linker（/usr/lib/dyld文件）

6. MH-KEXT-BUNDLE   内核扩展文件 （自己开发的简单内核模块）

flags

Mach-O headers还包含了一些很重要的dyld的加载参数。

1. MH-NOUNDEFS   目标没有未定义的符号，不存在链接依赖

2. MH-DYLDLINK     该目标文件是dyld的输入文件，无法被再次的静态链接

3. MH-PIE      允许随机的地址空间（开启ASLR  -\>Address Space Layout Randomization）

4. MH-ALLOW-STACK-EXECUTION   栈内存可执行代码，一般是默认关闭的。

5. MH-NO-HEAP-EXECUTION   堆内存无法执行代码

0x04 LoadCommands

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。定义如下：

cmd字段

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。

1. LC-SEGMENT；LC-SEGMENT-64   在内核中由load-segment 函数处理（将segment中的数据加载并映射到进程的内存空间去）

2. LC-LOAD-DYLINKER    在内核中由load-dylinker 函数处理（调用/usr/lib/dyld程序）

3. LC-UUID 在内核中由load-uuid 函数处理 （加载128-bit的唯一ID）

4. LC-THREAD  在内核中由load-thread 函数处理 （开启一个MACH线程，但是不分配栈空间）

5. LC-UNIXTHREAD 在内核中由load-unixthread 函数处理 （开启一个UNIX posix线程）

6. LC-CODE-SIGNATURE 在内核中由load-code-signature 函数处理 （进行数字签名）

7. LC-ENCRYPTION-INFO 在内核中由 set-code-unprotect 函数处理 （加密二进制文件）

UUID 二进制数据    128byte

UUID是16个字节（128bit）的一段数据，是文件的唯一标识，前面提到的符号化时，这个UUID必须要和App二进制文件中的UUID一致，才能被正确的符号化。dwarfdump查看的UUID就是这段数据。读取这部分数据时通过Command结构读取的，也就是第一段(0x0000001B)表示接下来的数据类型，第二段(0x00000018)数据的大小（包含Command数据）。 

SymTab 二进制数据

1. 符号表数据块结构，前二段依然是Command数据。后边4段分别为符号在文件中的偏移量(0x001DF5E0)、符号个数(0x001DF5E0)、字符串在文件中的偏移量(0x0020C3A0)、字符串表大小(0x000729A8)。 

2. 接下来就是读取Segment和Section数据块了，和上面读取数据块结构一样是根据Command结构读取，下图展示的Segment数据和Section数据，它们在二进制文件中它们是连续的，也就是每一条Segment数据后面会紧跟着多条对应的Section数据，Section的数据总数是通过Segment结构中的nsects决定的。 

3. 这里我写了一个简单地Mach-O解析工具 [https://github.com/liutianshx2012/Tmacho](https://github.com/liutianshx2012/Tmacho)

Segment数据

加载数据时，主要加载的就是LC-SEGMET活着LC-SEGMENT_64。其他的Segment的用途在这里不做深究。

LCSEGMENT以及LC-SEGMENT-64 定义如下图。

 

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。

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。

TEXT的vmaddr也就是程序的加载地址； —DWARF中表明了DWARF数据块的信息，表示dSYM是DWARF格式的数据结构。 

` sizeof(struct segment-command) = 56byte   ;   sizeof(struct segment-command-64) = 72byte`

Section数据

从Section数据中，我们可以找到—debug-info、—debug-pubnames, —debug-line等调试信息，通过这些调试信息我们可以找到程序中符号的起始地址、变量类型等信息。如果我们要符号化的话，就可以通过解析这些数据得到我们想要的信息。

Symbol 数据

通过SymTab中的数据可以得到Symbol在文件中的位置和个数，Symbol块数据中包含了符号的起始地址、字符串的偏移量等数据，这部分数据结构可以参考\<nlist.h\> 和 \<stabl.h\>。在这部分数据全部读取后，就可以读取所有的符号数据了，也就是接下来的数据。 

Symbol String 数据

1. 通过SymTab和Symbo中的数据可以得到每个符号字符串在文件中的偏移量和大小，每个符号数据是以0结尾的字符串。 

2. 我们通过以上两部分数据的组合就可以得到每个symbo在程序中的加载地址了。这些数据对于以后做符号工作都非常的有帮助。

3. 到此，关于dSYM文件中头部数据读取就完成了。头部数据都有相应的数据结构定义，读取时相对会比较容易些，解析数据时要注意字节序的问题，32-bit和64-bit数据结构的差异、字节长度的差异，DWARF版本的差异，每个数据块之间都是紧密联系的，一个字节的读取偏差就会造成后续数据的读取错误，正所谓差之毫厘，失之千里。