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：

​​mach-o格式分析_ide​​

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。

​​mach-o格式分析_ide_02​​

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

​​mach-o格式分析_数据_03​​

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\"\n",
                 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\"\n",
                 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

​


------------------越是喧嚣的世界，越需要宁静的思考------------------ 合抱之木，生于毫末；九层之台，起于垒土；千里之行，始于足下。 积土成山，风雨兴焉；积水成渊，蛟龙生焉；积善成德，而神明自得，圣心备焉。故不积跬步，无以至千里；不积小流，无以成江海。骐骥一跃，不能十步；驽马十驾，功在不舍。锲而舍之，朽木不折；锲而不舍，金石可镂。蚓无爪牙之利，筋骨之强，上食埃土，下饮黄泉，用心一也。蟹六跪而二螯，非蛇鳝之穴无可寄托者，用心躁也。