MachO文件詳解–逆向開發

今天是逆向開發的第5天內容–MachO文件（Mac 和 iOS 平台可執行的文件），在逆向開發中是比較重要的，下面我們着重講解一下MachO文件的基本內容和使用。

一、MachO概述

1. 概述

Mach-O是Mach Object文件格式的縮寫，iOS以及Mac上可執行的文件格式，類似Window的exe格式，Linux上的elf格式。Mach-O是一個可執行文件、動態庫以及目標代碼的文件格式，是a.out格式的替代，提供了更高更強的擴展性。

2.常見格式

Mach-O常見格式如下：

• 目標文件 .o
• 庫文件

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

• 可執行文件
• dyld
• .dsym

　　通過file文件路徑查看文件類型

我們通過部分實例代碼來簡單研究一下。

2.1目標文件.o

通過test.c 文件，可以使用clang命令將其編譯成目標文件.o

我們再通過file命令（如下）查看文件類型

是個Mach-O文件。

2.2 dylib

通過cd /usr/lib命令查看dylib

通過file命令查看文件類型

 

 2.3 .dsym

下面是一個截圖來說明.dsym是也是Mach-O文件格式

 

以上只是Mach-O常見格式的某一種，大家可以通過命令來嘗試。

3. 通用二進制文件

希望大家在了解App二進制架構的時候，可以先讀一下本人寫的另一篇博客關於armv7，armv7s以及arm64等的介紹。

通用二進制文件是蘋果自身發明的，基本內容如下

下面通過指令查看Macho文件來看下通用二進制文件

 

然後通過file指令查看文件類型

 

上面該MachO文件包含了3個架構分別是arm v7，arm v7s 以及arm 64 。

針對該MachO文件我們做幾個操作，利用lipo命令拆分合併架構

3.1 利用lipo-info查看MachO文件架構

3.2 瘦身MachO文件，拆分

利用lipo-thin瘦身架構

 

 查看一下結果如下，多出來一個新建的MachO_armv7

 

3.3 增加架構，合併

利用lipo -create 合併多種架構

發現多出一種框架，合併成功多出Demo可執行文件。結果如下：

 

整理出lipo命令如下：

 

二、MachO文件

2.1 文件結構

下面是蘋果官方圖解釋MachO文件結構圖

MachO文件的組成結構如上，看包括了三個部分

• Header包含了該二進制文件的一般信息，信息如下：

1. 字節順序、加載指令的數量以及架構類型
2. 快速的確定一些信息，比如當前文件是32位或者64位，對應的文件類型和處理器是什麼

• Load commands 包含很多內容的表

1. 包括區域的位置、動態符號表以及符號表等

• Data一般是對象文件的最大部分

1. 一般包含Segement具體數據

2.2 Header的數據結構

在項目代碼中，按下Command+ 空格，然後輸入loader.h  

然後查看loader.h文件，找到mach_header

上面是mach_header，對應結構體的意義如下：

通過MachOView查看Mach64 Header頭部信息

2.3 LoadCommands

LoadCommand包含了很多內容的表，通過MachOView查看LoadCommand的信息，圖如下：

 

但是大家看的可能並不了解內容，下面有圖進行註解，可以看下主要的意思

2.4 Data

Data包含Segement，存儲具體數據，通過MachOView查看，地址映射內容

 

三、DYLD

3.1 dyld概述

dyld（the dynamic link editor）是蘋果動態鏈接器，是蘋果系統一個重要的組成部分，系統內核做好準備工作之後，剩下的就會交給了dyld。

3.2 dyld加載過程

程序的入口一般都是在main函數中，但是比較少的人關心main()函數之前發生了什麼？這次我們先探索dyld的加載過程。（但是比在main函數之前，load方法就在main函數之前）

3.2.1 新建項目，在main函數下斷

 

main()之前有個libdyld.dylib start入口，但是不是我們想要的，根據dyld源碼找到__dyld_start函數

3.2.2 dyld main()函數

dyld main()函數是關鍵函數，下面是函數實現內容。（此時的main實現函數和程序App的main 函數是不一樣的，因為dyld也是一個可執行文件，也是具有main函數的）

//
// 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，設置運行環境
    uint8_t mainExecutableCDHashBuffer[20];
    const uint8_t* mainExecutableCDHash = nullptr;
    if ( hexToBytes(_simple_getenv(apple, "executable_cdhash"), 40, mainExecutableCDHashBuffer) )
        // 獲取主程序的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;
    // 獲取主程序的macho_header結構
    sMainExecutableMachHeader = mainExecutableMH;
    // 獲取主程序的slide值
    sMainExecutableSlide = mainExecutableSlide;

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

    // Pickup the pointer to the exec path.
    // 獲取主程序路徑
    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
    // 獲取進程名稱
    sExecShortName = ::strrchr(sExecPath, '/');
    if ( sExecShortName != NULL )
        ++sExecShortName;
    else
        sExecShortName = sExecPath;
    
    // 配置進程受限模式
    configureProcessRestrictions(mainExecutableMH);


    // 檢測環境變量
    checkEnvironmentVariables(envp);
    defaultUninitializedFallbackPaths(envp);

    // 如果設置了DYLD_PRINT_OPTS則調用printOptions()打印參數
    if ( sEnv.DYLD_PRINT_OPTS )
        printOptions(argv);
    // 如果設置了DYLD_PRINT_ENV則調用printEnvironmentVariables()打印環境變量
    if ( sEnv.DYLD_PRINT_ENV ) 
        printEnvironmentVariables(envp);
    // 獲取當前程序架構
    getHostInfo(mainExecutableMH, mainExecutableSlide);
    //-------------第一步結束-------------
    
    // load shared cache
    // 第二步，加載共享緩存
    // 檢查共享緩存是否開啟，iOS必須開啟
    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 實例化主程序
        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 加載插入的動態庫
        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.
        // 記錄插入的動態庫數量
        sInsertedDylibCount = sAllImages.size()-1;

        // link main executable
        // 第五步 鏈接主程序
        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 鏈接插入的動態庫
        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 執行弱符號綁定
        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 執行初始化方法
        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 查找入口點並返回
        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

摺疊開dyld main函數，步驟總結如下

對待dyld的講述，是非常不易的，因為本身過程是比較複雜的，上面僅僅是自身的抽出來的。下面再畫一張流程圖，幫助大家理解。

 

四、總結

MachO文件對於逆向開發是非常重要的，通過本次講解，希望對大家理解逆向開發有所幫助，也希望大家真正可以提高技術，應對iOS市場的大環境，下一篇我們將講述Hook原理–逆向開發。謝謝！！！

 

 

 

 

 

 

 

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