dyld简介
dyld（the dynamic link editor）是苹果的动态链接器，是苹果操作系统一个重要组成部分，在系统内核做好程序准备工作之后，交由dyld负责余下的工作。而且它是开源的，任何人可以通过苹果官网下载它的源码来阅读理解它的运作方式，了解系统加载动态库的细节。
dyld下载地址：http://opensource.apple.com/tarballs/dyld。笔者下载的是519.2.2版本。
共享缓存机制
在iOS系统中，每个程序依赖的动态库都需要通过dyld（位于/usr/lib/dyld）一个一个加载到内存，然而，很多系统库几乎是每个程序都会用到的，如果在每个程序运行的时候都重复的去加载一次，势必造成运行缓慢，为了优化启动速度和提高程序性能，共享缓存机制就应运而生。所有默认的动态链接库被合并成一个大的缓存文件，放到/System/Library/Caches/com.apple.dyld/目录下，按不同的架构保存分别保存着，笔者的iPhone6里面就有dyld_shared_cache_armv7s和dyld_shared_cache_armv64两个文件，如下图所示。
dyld_shared_cache文件
想要分析某个系统库，就需要从dyld_shared_cache里先将的原始二进制文件提取出来，这里从易到难提供3种方法：
1. dyld_cache_extract提取
dyld_cache_extract（https://github.com/macmade/dyld_cache_extract）是一个可视化的工具，使用极其简单，把dyld_shared_cache载入即可解析出来，如下图所示。
dyld_cache_extract解析
2. jtool提取
以提取CFNetwork为例，使用如下命令即可：
$ jtool -extract CFNetwork ./dyld_shared_cache_arm64
Extracting /System/Library/Frameworks/CFNetwork.framework/CFNetwork at 0x147a000 into dyld_shared_cache_arm64.CFNetwork
3. dsc_extractor提取
在dyld源代码的launch-cache文件夹里面找到dsc_extractor.cpp，将653行的“#if 0”修改为“#if 1”,然后用如下命令编译生成dsc_extractor，并使用它提取所有缓存文件：
$ clang++ dsc_extractor.cpp dsc_iterator.cpp -o dsc_extractor
$ ./dsc_extractor ./dyld_shared_cache_arm64 ./
dyld加载过程
一个iOS程序的main()函数位于main.m中，这是我们熟知的程序入口。但很少有人去关心main()函数之前到底发生了什么。本章就带着这个疑问，从main()函数入手，探索一下dyld的加载过程。
先用Xcode新建一个Single View App工程，并在main()函数下断，然后运行，调用栈如下图所示。
main()函数调用栈
main()函数之前仅有一个libdyld.dylib`start入口，这显然不是我们想要的，根据这个线索顺藤摸瓜，在dyld源代码dyldStartup.s中找到了__dyld_start函数，此函数由汇编实现，兼容各种平台架构，此处仅摘录arm64架构下的汇编代码片段：
#if __arm64__
.data
.align 3
__dso_static:
.quad ___dso_handle
.text
.align 2
.globl __dyld_start
__dyld_start:
mov x28, sp
and sp, x28, #~15 // force 16-byte alignment of stack
mov x0, #0
mov x1, #0
stp x1, x0, [sp, #-16]! // make aligned terminating frame
mov fp, sp // set up fp to point to terminating frame
sub sp, sp, #16 // make room for local variables
ldr x0, [x28] // get app's mh into x0
ldr x1, [x28, #8] // get argc into x1 (kernel passes 32-bit int argc as 64-bits on stack to keep alignment)
add x2, x28, #16 // get argv into x2
adrp x4,___dso_handle@page
add x4,x4,___dso_handle@pageoff // get dyld's mh in to x4
adrp x3,__dso_static@page
ldr x3,[x3,__dso_static@pageoff] // get unslid start of dyld
sub x3,x4,x3 // x3 now has slide of dyld
mov x5,sp // x5 has &startGlue
// call dyldbootstrap::start(app_mh, argc, argv, slide, dyld_mh, &startGlue)
bl __ZN13dyldbootstrap5startEPK12macho_headeriPPKclS2_Pm
mov x16,x0 // save entry point address in x16
ldr x1, [sp]
cmp x1, #0
b.ne Lnew
// LC_UNIXTHREAD way, clean up stack and jump to result
add sp, x28, #8 // restore unaligned stack pointer without app mh
br x16 // jump to the program's entry point
// LC_MAIN case, set up stack for call to main()
Lnew: mov lr, x1 // simulate return address into _start in libdyld.dylib
ldr x0, [x28, #8] // main param1 = argc
add x1, x28, #16 // main param2 = argv
add x2, x1, x0, lsl #3
add x2, x2, #8 // main param3 = &env[0]
mov x3, x2
Lapple: ldr x4, [x3]
add x3, x3, #8
cmp x4, #0
b.ne Lapple // main param4 = apple
br x16
#endif // __arm64__
源码中可以看到一条bl命令，根据注释可以知道是跳转到dyldbootstrap::start()函数：
// call dyldbootstrap::start(app_mh, argc, argv, slide, dyld_mh, &startGlue)
bl __ZN13dyldbootstrap5startEPK12macho_headeriPPKclS2_Pm
dyldbootstrap::start()函数中做了很多dyld初始化相关的工作，包括：
- rebaseDyld() dyld重定位。
- mach_init() mach消息初始化。
- __guard_setup() 栈溢出保护。
初始化工作完成后，此函数调用到了dyld::_main()，再将返回值传递给__dyld_start去调用真正的main()函数。在dyldInitialization.cpp文件中可以找到dyldbootstrap::start()函数的实现如下：
//
// This is code to bootstrap dyld. This work in normally done for a program by dyld and crt.
// In dyld we have to do this manually.
//
uintptr_t start(const struct macho_header* appsMachHeader, int argc, const char* argv[],
intptr_t slide, const struct macho_header* dyldsMachHeader,
uintptr_t* startGlue)
{
// if kernel had to slide dyld, we need to fix up load sensitive locations
// we have to do this before using any global variables
if ( slide != 0 ) {
// dyld重定位
rebaseDyld(dyldsMachHeader, slide);
}
// allow dyld to use mach messaging
// mach消息初始化
mach_init();
// kernel sets up env pointer to be just past end of agv array
const char** envp = &argv[argc+1];
// kernel sets up apple pointer to be just past end of envp array
const char** apple = envp;
while(*apple != NULL) { ++apple; }
++apple;
// set up random value for stack canary
// 栈溢出保护
__guard_setup(apple);
// now that we are done bootstrapping dyld, call dyld's main
uintptr_t appsSlide = slideOfMainExecutable(appsMachHeader);
// 进入dyld::_main()函数
return dyld::_main(appsMachHeader, appsSlide, argc, argv, envp, apple, startGlue);
}
dyld::_main()是整个App启动的关键函数，此函数里面做了很多事情，代码如下：
//
// 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;
}
笔者对上面比较重要的地方加了一些注释，方便读者查看。整个加载过程可细分为九步：
- 第一步：设置运行环境。
- 第二步：加载共享缓存。
- 第三步：实例化主程序。
- 第四步：加载插入的动态库。
- 第五步：链接主程序。
- 第六步：链接插入的动态库。
- 第七步：执行弱符号绑定
- 第八步：执行初始化方法。
- 第九步：查找入口点并返回。
设置运行环境
这一步主要是设置运行参数、环境变量等。代码在开始的时候，将入参mainExecutableMH赋值给了sMainExecutableMachHeader，这是一个macho_header结构体，表示的是当前主程序的Mach-O头部信息，加载器依据Mach-O头部信息就可以解析整个Mach-O文件信息。接着调用setContext()设置上下文信息，包括一些回调函数、参数、标志信息等。设置的回调函数都是dyld模块自身实现的，如loadLibrary()函数实际调用的是libraryLocator()，负责加载动态库。代码片断如下：
static void setContext(const macho_header* mainExecutableMH, int argc, const char* argv[], const char* envp[], const char* apple[])
{
gLinkContext.loadLibrary = &libraryLocator;
gLinkContext.terminationRecorder = &terminationRecorder;
...
}
configureProcessRestrictions()用来配置进程是否受限，代码逻辑比较简单，sEnvMode默认等于envNone（即受限模式），如果设置了get_task_allow权限或者是内核开发时会设置成envAll，如果设置了uid和gid则立即变成受限模式，代码片段如下：
static void configureProcessRestrictions(const macho_header* mainExecutableMH)
{
sEnvMode = envNone; // 受限模式
gLinkContext.requireCodeSignature = true; // 需要代码签名
uint32_t flags;
if ( csops(0, CS_OPS_STATUS, &flags, sizeof(flags)) != -1 ) {
// 启用代码签名
if ( flags & CS_ENFORCEMENT ) {
// get_task_allow
if ( flags & CS_GET_TASK_ALLOW ) {
// Xcode built app for Debug allowed to use DYLD_* variables
// Xcode调试时允许使用DYLD_*环境变量
sEnvMode = envAll; // 非受限模式
}
else {
// Development kernel can use DYLD_PRINT_* variables on any FairPlay encrypted app
uint32_t secureValue = 0;
size_t secureValueSize = sizeof(secureValue);
if ( (sysctlbyname("kern.secure_kernel", &secureValue, &secureValueSize, NULL, 0) == 0) && (secureValue == 0) && isFairPlayEncrypted(mainExecutableMH) ) {
sEnvMode = envPrintOnly;
}
}
}
else {
// Development kernel can run unsigned code
// 内核开发运行运行非签名代码
sEnvMode = envAll; // 非受限模式
gLinkContext.requireCodeSignature = false; // 无需代码签名
}
}
// 如果设置了uid、gid则变成受限模式
if ( issetugid() ) {
sEnvMode = envNone;
}
}
checkEnvironmentVariables()检测环境变量，如果sEnvMode为envNone就直接返回，否则调用processDyldEnvironmentVariable()处理并设置环境变量，代码如下：
static void checkEnvironmentVariables(const char* envp[])
{
if ( sEnvMode == envNone )
return;
const char** p;
for(p = envp; *p != NULL; p++) {
const char* keyEqualsValue = *p;
if ( strncmp(keyEqualsValue, "DYLD_", 5) == 0 ) {
const char* equals = strchr(keyEqualsValue, '=');
if ( equals != NULL ) {
strlcat(sLoadingCrashMessage, "\n", sizeof(sLoadingCrashMessage));
strlcat(sLoadingCrashMessage, keyEqualsValue, sizeof(sLoadingCrashMessage));
const char* value = &equals[1];
const size_t keyLen = equals-keyEqualsValue;
char key[keyLen+1];
strncpy(key, keyEqualsValue, keyLen);
key[keyLen] = '\0';
if ( (sEnvMode == envPrintOnly) && (strncmp(key, "DYLD_PRINT_", 11) != 0) )
continue;
// 处理并设置环境变量
processDyldEnvironmentVariable(key, value, NULL);
}
}
else if ( strncmp(keyEqualsValue, "LD_LIBRARY_PATH=", 16) == 0 ) {
const char* path = &keyEqualsValue[16];
sEnv.LD_LIBRARY_PATH = parseColonList(path, NULL);
}
}
...
}
最后是调用getHostInfo()获取当前程序架构，至此，第一步的准备工作就完成了。
细心的读者可能会注意到，整个过程中有一些DYLD_*开头的环境变量，比如：
// 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);
其实，只要在Xcode中配置一下即可让这些环境变量生效，我们随便打开个工程然后依次点击“Product”->“Scheme”->“Edit Scheme…”，如下图所示。
Edit Scheme
在接下来的页面中，点击“Arguments”选项卡，按下图所示添加环境变量并设置“Value”为1。
Xcode设置环境变量
运行Xcode即可看到控制台打印的详细信息：
opt[0] = "/var/mobile/Containers/Bundle/Application/B64DB1D3-AD29-4F47-9C77-97B40079E276/Launch.app/Launch"
TMPDIR=/private/var/mobile/Containers/Data/Application/F5D83A13-1C1B-48B7-9764-356C1E1A6764/tmp
__CF_USER_TEXT_ENCODING=0x1F5:0:0
SHELL=/bin/sh
SQLITE_ENABLE_THREAD_ASSERTIONS=1
OS_ACTIVITY_DT_MODE=YES
HOME=/private/var/mobile/Containers/Data/Application/F5D83A13-1C1B-48B7-9764-356C1E1A6764
CFFIXED_USER_HOME=/private/var/mobile/Containers/Data/Application/F5D83A13-1C1B-48B7-9764-356C1E1A6764
FBSClientLogging=0
NSUnbufferedIO=YES
PATH=/usr/bin:/bin:/usr/sbin:/sbin
LOGNAME=mobile
XPC_SERVICE_NAME=UIKitApplication:com.chinapyg.Launch1[0x6e2d]
DYLD_INSERT_LIBRARIES=/Library/MobileSubstrate/MobileSubstrate.dylib:/Developer/usr/lib/libBacktraceRecording.dylib:/Developer/Library/PrivateFrameworks/DTDDISupport.framework/libViewDebuggerSupport.dylib
CLASSIC=0
CFLOG_FORCE_STDERR=YES
DYLD_PRINT_OPTS=1
DYLD_PRINT_ENV=1
USER=mobile
_MSSafeMode=0
XPC_FLAGS=0x1
DYLD_LIBRARY_PATH=/usr/lib/system/introspection
后面还有很多这样的DYLD_*开头的环境变量，感兴趣的读者可以自行测试，笔者不再逐一演示。
加载共享缓存
这一步先调用checkSharedRegionDisable()检查共享缓存是否禁用。该函数的iOS实现部分仅有一句注释，从注释我们可以推断iOS必须开启共享缓存才能正常工作，代码如下：
static void checkSharedRegionDisable(const mach_header* mainExecutableMH)
{
// iOS cannot run without shared region
}
接下来调用mapSharedCache()加载共享缓存，而mapSharedCache()里面实则是调用了loadDyldCache()，从代码可以看出，共享缓存加载又分为三种情况：
- 仅加载到当前进程，调用mapCachePrivate()。
- 共享缓存已加载，不做任何处理。
- 当前进程首次加载共享缓存，调用mapCacheSystemWide()。
loadDyldCache()的实现代码如下：
bool loadDyldCache(const SharedCacheOptions& options, SharedCacheLoadInfo* results)
{
results->loadAddress = 0;
results->slide = 0;
results->cachedDylibsGroup = nullptr;
results->errorMessage = nullptr;
if ( options.forcePrivate ) {
// mmap cache into this process only
// 仅加载到当前进程
return mapCachePrivate(options, results);
}
else {
// fast path: when cache is already mapped into shared region
// 共享缓存已加载，不做任何处理
if ( reuseExistingCache(options, results) )
return (results->errorMessage != nullptr);
// slow path: this is first process to load cache
// 当前进程首次加载共享缓存
return mapCacheSystemWide(options, results);
}
}
mapCachePrivate()、mapCacheSystemWide()里面就是具体的共享缓存解析逻辑，感兴趣的读者可以详细分析。
实例化主程序
这一步将主程序的Mach-O加载进内存，并实例化一个ImageLoader。instantiateFromLoadedImage()首先调用isCompatibleMachO()检测Mach-O头部的magic、cputype、cpusubtype等相关属性，判断Mach-O文件的兼容性，如果兼容性满足，则调用ImageLoaderMachO::instantiateMainExecutable()实例化主程序的ImageLoader，代码如下：
static ImageLoaderMachO* instantiateFromLoadedImage(const macho_header* mh, uintptr_t slide, const char* path)
{
// try mach-o loader
// 尝试加载MachO
if ( isCompatibleMachO((const uint8_t*)mh, path) ) {
ImageLoader* image = ImageLoaderMachO::instantiateMainExecutable(mh, slide, path, gLinkContext);
addImage(image);
return (ImageLoaderMachO*)image;
}
throw "main executable not a known format";
}
ImageLoaderMachO::instantiateMainExecutable()函数里面首先会调用sniffLoadCommands()函数来获取一些数据，包括：
- compressed：若Mach-O存在LC_DYLD_INFO和LC_DYLD_INFO_ONLY加载命令，则说明是压缩类型的Mach-O，代码片段如下：
switch (cmd->cmd) {
case LC_DYLD_INFO:
case LC_DYLD_INFO_ONLY:
if ( cmd->cmdsize != sizeof(dyld_info_command) )
throw "malformed mach-o image: LC_DYLD_INFO size wrong";
dyldInfoCmd = (struct dyld_info_command*)cmd;
// 存在LC_DYLD_INFO或者LC_DYLD_INFO_ONLY则表示是压缩类型的Mach-O
*compressed = true;
break;
...
}
- segCount：根据 LC_SEGMENT_COMMAND 加载命令来统计段数量，这里抛出的错误日志也说明了段的数量是不能超过255个，代码片段如下：
case LC_SEGMENT_COMMAND:
segCmd = (struct macho_segment_command*)cmd;
...
if ( segCmd->vmsize != 0 )
*segCount += 1;
if ( *segCount > 255 )
dyld::throwf("malformed mach-o image: more than 255 segments in %s", path);
- libCount：根据 LC_LOAD_DYLIB、LC_LOAD_WEAK_DYLIB、LC_REEXPORT_DYLIB、LC_LOAD_UPWARD_DYLIB 这几个加载命令来统计库的数量，库的数量不能超过4095个。代码片段如下：
case LC_LOAD_DYLIB:
case LC_LOAD_WEAK_DYLIB:
case LC_REEXPORT_DYLIB:
case LC_LOAD_UPWARD_DYLIB:
*libCount += 1;
if ( *libCount > 4095 )
dyld::throwf("malformed mach-o image: more than 4095 dependent libraries in %s", path);
- codeSigCmd：通过解析LC_CODE_SIGNATURE来获取代码签名加载命令，代码片段如下：
case LC_CODE_SIGNATURE:
*codeSigCmd = (struct linkedit_data_command*)cmd;
break;
- encryptCmd：通过LC_ENCRYPTION_INFO和LC_ENCRYPTION_INFO_64来获取段的加密信息，代码片段如下：
case LC_ENCRYPTION_INFO:
...
*encryptCmd = (encryption_info_command*)cmd;
break;
case LC_ENCRYPTION_INFO_64:
...
*encryptCmd = (encryption_info_command*)cmd;
break;
ImageLoader是抽象类，其子类负责把Mach-O文件实例化为image，当sniffLoadCommands()解析完以后，根据compressed的值来决定调用哪个子类进行实例化，代码如下：
ImageLoader* ImageLoaderMachO::instantiateMainExecutable(const macho_header* mh, uintptr_t slide, const char* path, const LinkContext& context)
{
bool compressed;
unsigned int segCount;
unsigned int libCount;
const linkedit_data_command* codeSigCmd;
const encryption_info_command* encryptCmd;
sniffLoadCommands(mh, path, false, &compressed, &segCount, &libCount, context, &codeSigCmd, &encryptCmd);
// instantiate concrete class based on content of load commands
if ( compressed )
return ImageLoaderMachOCompressed::instantiateMainExecutable(mh, slide, path, segCount, libCount, context);
else
#if SUPPORT_CLASSIC_MACHO
return ImageLoaderMachOClassic::instantiateMainExecutable(mh, slide, path, segCount, libCount, context);
#else
throw "missing LC_DYLD_INFO load command";
#endif
}
此过程可以用下图来进行直观描述。
ImageLoaderMachO::instantiateMainExecutable()函数流程
下面以ImageLoaderMachOCompressed::instantiateMainExecutable()为例来看一下实现：
// create image for main executable
ImageLoaderMachOCompressed* ImageLoaderMachOCompressed::instantiateMainExecutable(const macho_header* mh, uintptr_t slide, const char* path,
unsigned int segCount, unsigned int libCount, const LinkContext& context)
{
ImageLoaderMachOCompressed* image = ImageLoaderMachOCompressed::instantiateStart(mh, path, segCount, libCount);
// set slide for PIE programs
image->setSlide(slide);
// for PIE record end of program, to know where to start loading dylibs
if ( slide != 0 )
fgNextPIEDylibAddress = (uintptr_t)image->getEnd();
image->disableCoverageCheck();
image->instantiateFinish(context);
image->setMapped(context);
if ( context.verboseMapping ) {
dyld::log("dyld: Main executable mapped %s\n", path);
for(unsigned int i=0, e=image->segmentCount(); i < e; ++i) {
const char* name = image->segName(i);
if ( (strcmp(name, "__PAGEZERO") == 0) || (strcmp(name, "__UNIXSTACK") == 0) )
dyld::log("%18s at 0x%08lX->0x%08lX\n", name, image->segPreferredLoadAddress(i), image->segPreferredLoadAddress(i)+image->segSize(i));
else
dyld::log("%18s at 0x%08lX->0x%08lX\n", name, image->segActualLoadAddress(i), image->segActualEndAddress(i));
}
}
return image;
}
这里总结为4步：
- ImageLoaderMachOCompressed::instantiateStart()创建ImageLoaderMachOCompressed对象。
- image->disableCoverageCheck()禁用段覆盖检测。
- image->instantiateFinish()首先调用parseLoadCmds()解析加载命令，然后调用this->setDyldInfo()设置动态库链接信息，最后调用this->setSymbolTableInfo() 设置符号表相关信息，代码片段如下：
- image->setMapped()函数注册通知回调、计算执行时间等等。
在调用完ImageLoaderMachO::instantiateMainExecutable()后继续调用addImage()，将image加入到sAllImages全局镜像列表，并将image映射到申请的内存中。代码如下：
static void addImage(ImageLoader* image)
{
// add to master list
allImagesLock();
sAllImages.push_back(image);
allImagesUnlock();
// update mapped ranges
uintptr_t lastSegStart = 0;
uintptr_t lastSegEnd = 0;
for(unsigned int i=0, e=image->segmentCount(); i < e; ++i) {
if ( image->segUnaccessible(i) )
continue;
uintptr_t start = image->segActualLoadAddress(i);
uintptr_t end = image->segActualEndAddress(i);
if ( start == lastSegEnd ) {
// two segments are contiguous, just record combined segments
lastSegEnd = end;
}
else {
// non-contiguous segments, record last (if any)
if ( lastSegEnd != 0 )
addMappedRange(image, lastSegStart, lastSegEnd);
lastSegStart = start;
lastSegEnd = end;
}
}
if ( lastSegEnd != 0 )
addMappedRange(image, lastSegStart, lastSegEnd);
if ( gLinkContext.verboseLoading || (sEnv.DYLD_PRINT_LIBRARIES_POST_LAUNCH && (sMainExecutable!=NULL) && sMainExecutable->isLinked()) ) {
dyld::log("dyld: loaded: %s\n", image->getPath());
}
}
至此，初始化主程序这一步就完成了。ImageLoaderMachOClassic::instantiateMainExecutable()函数的实现，同理可推，此处不再详述。
加载插入的动态库
这一步是加载环境变量DYLD_INSERT_LIBRARIES中配置的动态库，先判断环境变量DYLD_INSERT_LIBRARIES中是否存在要加载的动态库，如果存在则调用loadInsertedDylib()依次加载，代码如下：
if ( sEnv.DYLD_INSERT_LIBRARIES != NULL ) {
for (const char* const* lib = sEnv.DYLD_INSERT_LIBRARIES; *lib != NULL; ++lib)
loadInsertedDylib(*lib);
}
loadInsertedDylib()内部设置了一个LoadContext参数后，调用了load()函数，
load()函数的实现为一系列的loadPhase*()函数，loadPhase0()~loadPhase1()函数会按照下图所示顺序搜索动态库，并调用不同的函数来继续处理。
搜索顺序
当内部调用到loadPhase5load()函数的时候，会先在共享缓存中搜寻，如果存在则使用ImageLoaderMachO::instantiateFromCache()来实例化ImageLoader，否则通过loadPhase5open()打开文件并读取数据到内存后，再调用loadPhase6()，通过ImageLoaderMachO::instantiateFromFile()实例化ImageLoader，最后调用checkandAddImage()验证镜像并将其加入到全局镜像列表中。
load()函数代码如下：
ImageLoader* load(const char* path, const LoadContext& context, unsigned& cacheIndex)
{
...
// try all path permutations and check against existing loaded images
ImageLoader* image = loadPhase0(path, orgPath, context, cacheIndex, NULL);
if ( image != NULL ) {
CRSetCrashLogMessage2(NULL);
return image;
}
// try all path permutations and try open() until first success
std::vector<const char*> exceptions;
image = loadPhase0(path, orgPath, context, cacheIndex, &exceptions);
#if !TARGET_IPHONE_SIMULATOR
// <rdar://problem/16704628> support symlinks on disk to a path in dyld shared cache
if ( image == NULL)
image = loadPhase2cache(path, orgPath, context, cacheIndex, &exceptions);
#endif
...
}
链接主程序
这一步调用link()函数将实例化后的主程序进行动态修正，让二进制变为可正常执行的状态。link()函数内部调用了ImageLoader::link()函数，从源代码可以看到，这一步主要做了以下几个事情：
- recursiveLoadLibraries() 根据LC_LOAD_DYLIB加载命令把所有依赖库加载进内存。
- recursiveUpdateDepth() 递归刷新依赖库的层级。
- recursiveRebase() 由于ASLR的存在，必须递归对主程序以及依赖库进行重定位操作。
- recursiveBind() 把主程序二进制和依赖进来的动态库全部执行符号表绑定。
- weakBind() 如果链接的不是主程序二进制的话，会在此时执行弱符号绑定，主程序二进制则在link()完后再执行弱符号绑定，后面会进行分析。
- recursiveGetDOFSections()、context.registerDOFs() 注册DOF（DTrace Object Format）节。
ImageLoader::link()源代码如下：
void ImageLoader::link(const LinkContext& context, bool forceLazysBound, bool preflightOnly, bool neverUnload, const RPathChain& loaderRPaths, const char* imagePath)
{
...
uint64_t t0 = mach_absolute_time();
// 递归加载加载主程序所需依赖库
this->recursiveLoadLibraries(context, preflightOnly, loaderRPaths, imagePath);
...
uint64_t t1 = mach_absolute_time();
context.clearAllDepths();
// 递归刷新依赖库的层级
this->recursiveUpdateDepth(context.imageCount());
uint64_t t2 = mach_absolute_time();
// 递归进行rebase
this->recursiveRebase(context);
uint64_t t3 = mach_absolute_time();
// 递归绑定符号表
this->recursiveBind(context, forceLazysBound, neverUnload);
uint64_t t4 = mach_absolute_time();
if ( !context.linkingMainExecutable )
// 弱符号绑定
this->weakBind(context);
uint64_t t5 = mach_absolute_time();
context.notifyBatch(dyld_image_state_bound, false);
uint64_t t6 = mach_absolute_time();
std::vector<DOFInfo> dofs;
// 注册DOF节
this->recursiveGetDOFSections(context, dofs);
context.registerDOFs(dofs);
uint64_t t7 = mach_absolute_time();
...
}
链接插入的动态库
这一步与链接主程序一样，将前面调用addImage()函数保存在sAllImages中的动态库列表循环取出并调用link()进行链接，需要注意的是，sAllImages中保存的第一项是主程序的镜像，所以要从i+1的位置开始，取到的才是动态库的ImageLoader：
ImageLoader* image = sAllImages[i+1];
接下来循环调用每个镜像的registerInterposing()函数，该函数会遍历Mach-O的LC_SEGMENT_COMMAND加载命令，读取__DATA,__interpose，并将读取到的信息保存到fgInterposingTuples中，接着调用applyInterposing()函数，内部经由doInterpose()虚函数进行替换操作，以ImageLoaderMachOCompressed::doInterpose()函数的实现为例：该函数内部调用了eachBind()与eachLazyBind()，具体处理函数是interposeAt()，该函数调用interposedAddress()在fgInterposingTuples中查找需要替换的符号地址，进行最终的符号地址替换，代码如下：
void ImageLoaderMachOCompressed::doInterpose(const LinkContext& context)
{
// update prebound symbols
eachBind(context, &ImageLoaderMachOCompressed::interposeAt);
eachLazyBind(context, &ImageLoaderMachOCompressed::interposeAt);
}
uintptr_t ImageLoaderMachOCompressed::interposeAt(const LinkContext& context, uintptr_t addr, uint8_t type, const char*,
uint8_t, intptr_t, long, const char*, LastLookup*, bool runResolver)
{
if ( type == BIND_TYPE_POINTER ) {
uintptr_t* fixupLocation = (uintptr_t*)addr;
uintptr_t curValue = *fixupLocation;
uintptr_t newValue = interposedAddress(context, curValue, this);
if ( newValue != curValue) {
*fixupLocation = newValue;
}
}
return 0;
}
执行弱符号绑定
weakBind()首先通过getCoalescedImages()合并所有动态库的弱符号到一个列表里，然后调用initializeCoalIterator()对需要绑定的弱符号进行排序，接着调用incrementCoalIterator()读取dyld_info_command结构的weak_bind_off和weak_bind_size字段，确定弱符号的数据偏移与大小，最终进行弱符号绑定，代码如下：
bool ImageLoaderMachOCompressed::incrementCoalIterator(CoalIterator& it)
{
if ( it.done )
return false;
if ( this->fDyldInfo->weak_bind_size == 0 ) {
/// hmmm, ld set MH_WEAK_DEFINES or MH_BINDS_TO_WEAK, but there is no weak binding info
it.done = true;
it.symbolName = "~~~";
return true;
}
const uint8_t* start = fLinkEditBase + fDyldInfo->weak_bind_off;
const uint8_t* p = start + it.curIndex;
const uint8_t* end = fLinkEditBase + fDyldInfo->weak_bind_off + this->fDyldInfo->weak_bind_size;
uintptr_t count;
uintptr_t skip;
uintptr_t segOffset;
while ( p < end ) {
uint8_t immediate = *p & BIND_IMMEDIATE_MASK;
uint8_t opcode = *p & BIND_OPCODE_MASK;
++p;
switch (opcode) {
case BIND_OPCODE_DONE:
it.done = true;
it.curIndex = p - start;
it.symbolName = "~~~"; // sorts to end
return true;
}
break;
...
}
...
return true;
}
执行初始化方法
这一步由initializeMainExecutable()完成。dyld会优先初始化动态库，然后初始化主程序。该函数首先执行runInitializers()，内部再依次调用processInitializers()、recursiveInitialization()。我们在recursiveInitialization()函数里找到了notifySingle()函数：
context.notifySingle(dyld_image_state_dependents_initialized, this, &timingInfo);
接着跟进notifySingle函数，看到下面处理代码：
if ( (state == dyld_image_state_dependents_initialized) && (sNotifyObjCInit != NULL) && image->notifyObjC() ) {
uint64_t t0 = mach_absolute_time();
(*sNotifyObjCInit)(image->getRealPath(), image->machHeader());
uint64_t t1 = mach_absolute_time();
uint64_t t2 = mach_absolute_time();
uint64_t timeInObjC = t1-t0;
uint64_t emptyTime = (t2-t1)*100;
if ( (timeInObjC > emptyTime) && (timingInfo != NULL) ) {
timingInfo->addTime(image->getShortName(), timeInObjC);
}
}
我们关心的只有sNotifyObjCInit这个回调，继续寻找赋值的地方：
void registerObjCNotifiers(_dyld_objc_notify_mapped mapped, _dyld_objc_notify_init init, _dyld_objc_notify_unmapped unmapped)
{
// record functions to call
sNotifyObjCMapped = mapped;
sNotifyObjCInit = init;
sNotifyObjCUnmapped = unmapped;
...
再接着找registerObjCNotifiers函数调用，最终找到这里：
void _dyld_objc_notify_register(_dyld_objc_notify_mapped mapped,
_dyld_objc_notify_init init,
_dyld_objc_notify_unmapped unmapped)
{
dyld::registerObjCNotifiers(mapped, init, unmapped);
}
那么到底谁调用了_dyld_objc_notify_register()呢？静态分析已经无法得知，只能对_dyld_objc_notify_register()下个符号断点观察一下了，
点击Xcode的“Debug”菜单，然后点击“Breakpoints”，接着选择“Create Symbolic Breakpoint...”。如下图所示。
image
在弹出的对话框中设置_dyld_objc_notify_register()符号断点，按下图所示。
对_dyld_objc_notify_register()函数下断点
运行程序，成功命中断点，从调用栈看到是libobjc.A.dylib的_objc_init函数调用了_dyld_objc_notify_register()。如下图所示。
_dyld_objc_notify_register调用栈
到https://opensource.apple.com/tarballs/objc4/下载objc源代码，找到_objc_init函数：
/***********************************************************************
* _objc_init
* Bootstrap initialization. Registers our image notifier with dyld.
* Called by libSystem BEFORE library initialization time
**********************************************************************/
void _objc_init(void)
{
static bool initialized = false;
if (initialized) return;
initialized = true;
// fixme defer initialization until an objc-using image is found?
environ_init();
tls_init();
static_init();
lock_init();
exception_init();
_dyld_objc_notify_register(&map_images, load_images, unmap_image);
}
这里注册的init回调函数就是load_images()，回调里面调用了call_load_methods()来执行所有的+ load方法。现在修改一下工程源码，加入以下代码并下断点即可看到调用栈：
+ (void)load {
NSLog(@"load");
}
+ load方法调用栈
notifySingle()之后就是调用doInitialization()，代码如下：
// initialize this image
// 调用constructor()
bool hasInitializers = this->doInitialization(context);
doInitialization()内部首先调用doImageInit来执行镜像的初始化函数，也就是LC_ROUTINES_COMMAND中记录的函数，然后再执行doModInitFunctions()方法来解析并执行DATA,__mod_init_func这个section中保存的函数，如下图所示。
_mod_init_funcs中保存的是全局C++对象的构造函数以及所有带attribute((constructor)的C函数。
__mod_init_func保存的函数指针
现在添加一些代码再来运行一下程序即可验证，如下图所示。
解析__mod_init_func并查看调用栈
查找入口点并返回
这一步调用主程序镜像的getThreadPC()，从加载命令读取LC_MAIN入口，如果没有LC_MAIN就调用getMain()读取LC_UNIXTHREAD，找到后就跳到入口点指定的地址并返回。
至此，整个dyld的加载过程就分析完成了。
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