MachO文件详解--逆向开发

今天是逆向开发的第5天内容--MachO文件（Mac 和 iOS 平台可执行的文件），在逆向开发中是比较重要的，下面我们着重讲解一下MachO文件的基本内容和使用。

一、MachO概述

1. 概述

Mach-O是Mach Object文件格式的缩写，iOS以及Mac上可执行的文件格式，类似Window的exe格式，Linux上的elf格式。Mach-O是一个可执行文件、动态库以及目标代码的文件格式，是a.out格式的替代，提供了更高更强的扩展性。

2.常见格式

Mach-O常见格式如下：

• 目标文件 .o
• 库文件

1. .a
2. .dylib
3. .framework

• 可执行文件
• dyld
• .dsym

　　通过file文件路径查看文件类型

我们通过部分实例代码来简单研究一下。

2.1目标文件.o

通过test.c 文件，可以使用clang命令将其编译成目标文件.o

我们再通过file命令（如下）查看文件类型

是个Mach-O文件。

2.2 dylib

通过cd /usr/lib命令查看dylib

通过file命令查看文件类型

 2.3 .dsym

下面是一个截图来说明.dsym是也是Mach-O文件格式

以上只是Mach-O常见格式的某一种，大家可以通过命令来尝试。

3. 通用二进制文件

希望大家在了解App二进制架构的时候，可以先读一下本人写的另一篇博客关于armv7，armv7s以及arm64等的介绍。https://www.cnblogs.com/guohai-stronger/p/9447364.html

通用二进制文件是苹果自身发明的，基本内容如下

下面通过指令查看Macho文件来看下通用二进制文件

然后通过file指令查看文件类型

上面该MachO文件包含了3个架构分别是arm v7，arm v7s 以及arm 64 。

针对该MachO文件我们做几个操作，利用lipo命令拆分合并架构

3.1 利用lipo-info查看MachO文件架构

3.2 瘦身MachO文件，拆分

利用lipo-thin瘦身架构

 查看一下结果如下，多出来一个新建的MachO_armv7

3.3 增加架构，合并

利用lipo -create 合并多种架构

发现多出一种框架，合并成功多出Demo可执行文件。结果如下：

整理出lipo命令如下：

二、MachO文件

2.1 文件结构

下面是苹果官方图解释MachO文件结构图

MachO文件的组成结构如上，看包括了三个部分

• Header包含了该二进制文件的一般信息，信息如下：

1. 字节顺序、加载指令的数量以及架构类型
2. 快速的确定一些信息，比如当前文件是32位或者64位，对应的文件类型和处理器是什么

• Load commands 包含很多内容的表

1. 包括区域的位置、动态符号表以及符号表等

• Data一般是对象文件的最大部分

1. 一般包含Segement具体数据

2.2 Header的数据结构

在项目代码中，按下Command+ 空格，然后输入loader.h  

然后查看loader.h文件，找到mach_header

上面是mach_header，对应结构体的意义如下：

通过MachOView查看Mach64 Header头部信息

2.3 LoadCommands

LoadCommand包含了很多内容的表，通过MachOView查看LoadCommand的信息，图如下：

但是大家看的可能并不了解内容，下面有图进行注解，可以看下主要的意思

2.4 Data

Data包含Segement，存储具体数据，通过MachOView查看，地址映射内容

三、DYLD

3.1 dyld概述

dyld（the dynamic link editor）是苹果动态链接器，是苹果系统一个重要的组成部分，系统内核做好准备工作之后，剩下的就会交给了dyld。

3.2 dyld加载过程

程序的入口一般都是在main函数中，但是比较少的人关心main()函数之前发生了什么？这次我们先探索dyld的加载过程。（但是比在main函数之前，load方法就在main函数之前）

3.2.1 新建项目，在main函数下断

main()之前有个libdyld.dylib start入口，但是不是我们想要的，根据dyld源码找到__dyld_start函数

3.2.2 dyld main()函数

dyld main()函数是关键函数，下面是函数实现内容。（此时的main实现函数和程序App的main 函数是不一样的，因为dyld也是一个可执行文件，也是具有main函数的）

//
// Entry point for dyld.  The kernel loads dyld and jumps to __dyld_start which
// sets up some registers and call this function.
//
// Returns address of main() in target program which __dyld_start jumps to
//
uintptr_t
_main(const macho_header* mainExecutableMH, uintptr_t mainExecutableSlide, 
        int argc, const char* argv[], const char* envp[], const char* apple[], 
        uintptr_t* startGlue)
{
    // Grab the cdHash of the main executable from the environment
    // 第一步，设置运行环境
    uint8_t mainExecutableCDHashBuffer[20];
    const uint8_t* mainExecutableCDHash = nullptr;
    if ( hexToBytes(_simple_getenv(apple, "executable_cdhash"), 40, mainExecutableCDHashBuffer) )
        // 获取主程序的hash
        mainExecutableCDHash = mainExecutableCDHashBuffer;

    // Trace dyld's load
    notifyKernelAboutImage((macho_header*)&__dso_handle, _simple_getenv(apple, "dyld_file"));
#if !TARGET_IPHONE_SIMULATOR
    // Trace the main executable's load
    notifyKernelAboutImage(mainExecutableMH, _simple_getenv(apple, "executable_file"));
#endif

    uintptr_t result = 0;
    // 获取主程序的macho_header结构
    sMainExecutableMachHeader = mainExecutableMH;
    // 获取主程序的slide值
    sMainExecutableSlide = mainExecutableSlide;

    CRSetCrashLogMessage("dyld: launch started");
    // 设置上下文信息
    setContext(mainExecutableMH, argc, argv, envp, apple);

    // Pickup the pointer to the exec path.
    // 获取主程序路径
    sExecPath = _simple_getenv(apple, "executable_path");

    // <rdar://problem/13868260> Remove interim apple[0] transition code from dyld
    if (!sExecPath) sExecPath = apple[0];

    if ( sExecPath[0] != '/' ) {
        // have relative path, use cwd to make absolute
        char cwdbuff[MAXPATHLEN];
        if ( getcwd(cwdbuff, MAXPATHLEN) != NULL ) {
            // maybe use static buffer to avoid calling malloc so early...
            char* s = new char[strlen(cwdbuff) + strlen(sExecPath) + 2];
            strcpy(s, cwdbuff);
            strcat(s, "/");
            strcat(s, sExecPath);
            sExecPath = s;
        }
    }

    // Remember short name of process for later logging
    // 获取进程名称
    sExecShortName = ::strrchr(sExecPath, '/');
    if ( sExecShortName != NULL )
        ++sExecShortName;
    else
        sExecShortName = sExecPath;
    
    // 配置进程受限模式
    configureProcessRestrictions(mainExecutableMH);


    // 检测环境变量
    checkEnvironmentVariables(envp);
    defaultUninitializedFallbackPaths(envp);

    // 如果设置了DYLD_PRINT_OPTS则调用printOptions()打印参数
    if ( sEnv.DYLD_PRINT_OPTS )
        printOptions(argv);
    // 如果设置了DYLD_PRINT_ENV则调用printEnvironmentVariables()打印环境变量
    if ( sEnv.DYLD_PRINT_ENV ) 
        printEnvironmentVariables(envp);
    // 获取当前程序架构
    getHostInfo(mainExecutableMH, mainExecutableSlide);
    //-------------第一步结束-------------
    
    // load shared cache
    // 第二步，加载共享缓存
    // 检查共享缓存是否开启，iOS必须开启
    checkSharedRegionDisable((mach_header*)mainExecutableMH);
    if ( gLinkContext.sharedRegionMode != ImageLoader::kDontUseSharedRegion ) {
        mapSharedCache();
    }
    ...

    try {
        // add dyld itself to UUID list
        addDyldImageToUUIDList();

        // instantiate ImageLoader for main executable
        // 第三步 实例化主程序
        sMainExecutable = instantiateFromLoadedImage(mainExecutableMH, mainExecutableSlide, sExecPath);
        gLinkContext.mainExecutable = sMainExecutable;
        gLinkContext.mainExecutableCodeSigned = hasCodeSignatureLoadCommand(mainExecutableMH);

        // Now that shared cache is loaded, setup an versioned dylib overrides
    #if SUPPORT_VERSIONED_PATHS
        checkVersionedPaths();
    #endif


        // dyld_all_image_infos image list does not contain dyld
        // add it as dyldPath field in dyld_all_image_infos
        // for simulator, dyld_sim is in image list, need host dyld added
#if TARGET_IPHONE_SIMULATOR
        // get path of host dyld from table of syscall vectors in host dyld
        void* addressInDyld = gSyscallHelpers;
#else
        // get path of dyld itself
        void*  addressInDyld = (void*)&__dso_handle;
#endif
        char dyldPathBuffer[MAXPATHLEN+1];
        int len = proc_regionfilename(getpid(), (uint64_t)(long)addressInDyld, dyldPathBuffer, MAXPATHLEN);
        if ( len > 0 ) {
            dyldPathBuffer[len] = '\0'; // proc_regionfilename() does not zero terminate returned string
            if ( strcmp(dyldPathBuffer, gProcessInfo->dyldPath) != 0 )
                gProcessInfo->dyldPath = strdup(dyldPathBuffer);
        }

        // load any inserted libraries
        // 第四步 加载插入的动态库
        if  ( sEnv.DYLD_INSERT_LIBRARIES != NULL ) {
            for (const char* const* lib = sEnv.DYLD_INSERT_LIBRARIES; *lib != NULL; ++lib)
                loadInsertedDylib(*lib);
        }
        // record count of inserted libraries so that a flat search will look at 
        // inserted libraries, then main, then others.
        // 记录插入的动态库数量
        sInsertedDylibCount = sAllImages.size()-1;

        // link main executable
        // 第五步 链接主程序
        gLinkContext.linkingMainExecutable = true;
#if SUPPORT_ACCELERATE_TABLES
        if ( mainExcutableAlreadyRebased ) {
            // previous link() on main executable has already adjusted its internal pointers for ASLR
            // work around that by rebasing by inverse amount
            sMainExecutable->rebase(gLinkContext, -mainExecutableSlide);
        }
#endif
        link(sMainExecutable, sEnv.DYLD_BIND_AT_LAUNCH, true, ImageLoader::RPathChain(NULL, NULL), -1);
        sMainExecutable->setNeverUnloadRecursive();
        if ( sMainExecutable->forceFlat() ) {
            gLinkContext.bindFlat = true;
            gLinkContext.prebindUsage = ImageLoader::kUseNoPrebinding;
        }

        // link any inserted libraries
        // do this after linking main executable so that any dylibs pulled in by inserted 
        // dylibs (e.g. libSystem) will not be in front of dylibs the program uses
        // 第六步 链接插入的动态库
        if ( sInsertedDylibCount > 0 ) {
            for(unsigned int i=0; i < sInsertedDylibCount; ++i) {
                ImageLoader* image = sAllImages[i+1];
                link(image, sEnv.DYLD_BIND_AT_LAUNCH, true, ImageLoader::RPathChain(NULL, NULL), -1);
                image->setNeverUnloadRecursive();
            }
            // only INSERTED libraries can interpose
            // register interposing info after all inserted libraries are bound so chaining works
            for(unsigned int i=0; i < sInsertedDylibCount; ++i) {
                ImageLoader* image = sAllImages[i+1];
                image->registerInterposing();
            }
        }

        // <rdar://problem/19315404> dyld should support interposition even without DYLD_INSERT_LIBRARIES
        for (long i=sInsertedDylibCount+1; i < sAllImages.size(); ++i) {
            ImageLoader* image = sAllImages[i];
            if ( image->inSharedCache() )
                continue;
            image->registerInterposing();
        }
        ...

        // apply interposing to initial set of images
        for(int i=0; i < sImageRoots.size(); ++i) {
            sImageRoots[i]->applyInterposing(gLinkContext);
        }
        gLinkContext.linkingMainExecutable = false;
        
        // <rdar://problem/12186933> do weak binding only after all inserted images linked
        // 第七步 执行弱符号绑定
        sMainExecutable->weakBind(gLinkContext);

        // If cache has branch island dylibs, tell debugger about them
        if ( (sSharedCacheLoadInfo.loadAddress != NULL) && (sSharedCacheLoadInfo.loadAddress->header.mappingOffset >= 0x78) && (sSharedCacheLoadInfo.loadAddress->header.branchPoolsOffset != 0) ) {
            uint32_t count = sSharedCacheLoadInfo.loadAddress->header.branchPoolsCount;
            dyld_image_info info[count];
            const uint64_t* poolAddress = (uint64_t*)((char*)sSharedCacheLoadInfo.loadAddress + sSharedCacheLoadInfo.loadAddress->header.branchPoolsOffset);
            // <rdar://problem/20799203> empty branch pools can be in development cache
            if ( ((mach_header*)poolAddress)->magic == sMainExecutableMachHeader->magic ) {
                for (int poolIndex=0; poolIndex < count; ++poolIndex) {
                    uint64_t poolAddr = poolAddress[poolIndex] + sSharedCacheLoadInfo.slide;
                    info[poolIndex].imageLoadAddress = (mach_header*)(long)poolAddr;
                    info[poolIndex].imageFilePath = "dyld_shared_cache_branch_islands";
                    info[poolIndex].imageFileModDate = 0;
                }
                // add to all_images list
                addImagesToAllImages(count, info);
                // tell gdb about new branch island images
                gProcessInfo->notification(dyld_image_adding, count, info);
            }
        }

        CRSetCrashLogMessage("dyld: launch, running initializers");
        ...
        // run all initializers
        // 第八步 执行初始化方法
        initializeMainExecutable(); 

        // notify any montoring proccesses that this process is about to enter main()
        dyld3::kdebug_trace_dyld_signpost(DBG_DYLD_SIGNPOST_START_MAIN_DYLD2, 0, 0);
        notifyMonitoringDyldMain();

        // find entry point for main executable
        // 第九步 查找入口点并返回
        result = (uintptr_t)sMainExecutable->getThreadPC();
        if ( result != 0 ) {
            // main executable uses LC_MAIN, needs to return to glue in libdyld.dylib
            if ( (gLibSystemHelpers != NULL) && (gLibSystemHelpers->version >= 9) )
                *startGlue = (uintptr_t)gLibSystemHelpers->startGlueToCallExit;
            else
                halt("libdyld.dylib support not present for LC_MAIN");
        }
        else {
            // main executable uses LC_UNIXTHREAD, dyld needs to let "start" in program set up for main()
            result = (uintptr_t)sMainExecutable->getMain();
            *startGlue = 0;
        }
    }
    catch(const char* message) {
        syncAllImages();
        halt(message);
    }
    catch(...) {
        dyld::log("dyld: launch failed\n");
    }
    ...
    
    return result;
}

View Code

折叠开dyld main函数，步骤总结如下

1. 配置运行环境，获取当前运行架构
2. 加载共享缓存，映射到当前运行架构
3. 进行实例化主程序
4. 开始加载插入的动态库
5. 然后链接主程序
6. 开始链接插入的动态库
7. 弱符号绑定
8. 初始化方法
9. 寻找主程序的入口

对待dyld的讲述，是非常不易的，因为本身过程是比较复杂的，上面仅仅是自身的抽出来的。下面再画一张流程图，帮助大家理解。

四、总结

MachO文件对于逆向开发是非常重要的，通过本次讲解，希望对大家理解逆向开发有所帮助，也希望大家真正可以提高技术，应对iOS市场的大环境，下一篇我们将讲述Hook原理--逆向开发。谢谢！！！