iOS 应用加载`dyld`篇

作者: just东东 | 来源:发表于2020-09-24 09:18 被阅读0次

    iOS 应用加载dyld

    前言

    我们探索了iOS底层对象以及类的原理,对其有了大概的了解。那么iOS应用倒地是如何启动的呢?从我们点击桌面的图标开始,究竟发生了什么呢?APP的生命周期倒地是怎么样的呢?下面我们来研究一下。

    1.APP加载初探

    首先我们新建一个Single View App的项目,让在main.m中打一个断点:

    main

    然后我们查看堆栈信息,发现在main方法执行前有一步start,点击这个start我们可以看到这一流程是发生在libdyld.dylib这个库。

    start

    这说明我们的APP在进入到main函数前还通过dyld做了很多事情,那么dyld到底都做了什么事情呢,我们不妨从Apple OpenSource上搞一份dyld的源码来看看。我们选择的是dyld-733.6版本:

    2.Dyld探索

    打开dyld工程很长很长的目录结构,如果一行一行的去分析估计得猴年马月了,我都不知道+load方法是我们开发中被调用很早的方法,我们不妨在+load方法处打个断点来看看调用堆栈。

    load

    此时我们发现了一个叫做_dyld_start的调用,并且我们还发现断点先到了+load方法处,而不是main,说明+load方法的调用要早与main函数的调用。

    2.1 _dyld_start

    打开dyld 733.6的源码,全局搜索_dyld_start,我们来到dyldStartup.s这个文件,并在聚焦于arm64架构下的汇编代码:

    _dyld_start

    对于这里的汇编代码,我们肯定也没必要逐行分析,我们直接定位到bl跳转语句,

    // call dyldbootstrap::start(app_mh, argc, argv, dyld_mh, &startGlue)
        bl  __ZN13dyldbootstrap5startEPKN5dyld311MachOLoadedEiPPKcS3_Pm
    

    这里注释的意思是调用位于dyldbootstrap命名空间下的start方法,我们继续探索一下这个start方法。

    2.2 dyldbootstrap::start

    _start源码:

    //
    //  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 dyld3::MachOLoaded* appsMachHeader, int argc, const char* argv[],
                    const dyld3::MachOLoaded* dyldsMachHeader, uintptr_t* startGlue)
    {
    
        // Emit kdebug tracepoint to indicate dyld bootstrap has started <rdar://46878536>
        dyld3::kdebug_trace_dyld_marker(DBG_DYLD_TIMING_BOOTSTRAP_START, 0, 0, 0, 0);
    
        // if kernel had to slide dyld, we need to fix up load sensitive locations
        // we have to do this before using any global variables
        rebaseDyld(dyldsMachHeader);
    
        // 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
        __guard_setup(apple);
    
    #if DYLD_INITIALIZER_SUPPORT
        // run all C++ initializers inside dyld
        runDyldInitializers(argc, argv, envp, apple);
    #endif
    
        // now that we are done bootstrapping dyld, call dyld's main
        uintptr_t appsSlide = appsMachHeader->getSlide();
        return dyld::_main((macho_header*)appsMachHeader, appsSlide, argc, argv, envp, apple, startGlue);
    }
    
    • 首先开始kdebug跟踪,以指示dyld引导程序的启动
    // Emit kdebug tracepoint to indicate dyld bootstrap has started <rdar://46878536>
        dyld3::kdebug_trace_dyld_marker(DBG_DYLD_TIMING_BOOTSTRAP_START, 0, 0, 0, 0);
    
    • 调用rebaseDyld函数,该函数内实现了对Mach-O内部DATA段指针的重设基址绑定Fixup 修复)操作,并且初始化了mach和系统调用,最后将修复好的DATA段的数据标记为只读。

    rebaseDyld函数源码:

    //
    // On disk, all pointers in dyld's DATA segment are chained together.
    // They need to be fixed up to be real pointers to run.
    //
    static void rebaseDyld(const dyld3::MachOLoaded* dyldMH)
    {
        // walk all fixups chains and rebase dyld
        const dyld3::MachOAnalyzer* ma = (dyld3::MachOAnalyzer*)dyldMH;
        assert(ma->hasChainedFixups());
        uintptr_t slide = (long)ma; // all fixup chain based images have a base address of zero, so slide == load address
        __block Diagnostics diag;
        ma->withChainStarts(diag, 0, ^(const dyld_chained_starts_in_image* starts) {
            ma->fixupAllChainedFixups(diag, starts, slide, dyld3::Array<const void*>(), nullptr);
        });
        diag.assertNoError();
    
        // now that rebasing done, initialize mach/syscall layer
        mach_init();
    
        // <rdar://47805386> mark __DATA_CONST segment in dyld as read-only (once fixups are done)
        ma->forEachSegment(^(const dyld3::MachOFile::SegmentInfo& info, bool& stop) {
            if ( info.readOnlyData ) {
                ::mprotect(((uint8_t*)(dyldMH))+info.vmAddr, (size_t)info.vmSize, VM_PROT_READ);
            }
        });
    }
    
    • 接下来 内核将env指针设置为刚好超出agv数组的末尾;内核将apple指针设置为刚好超出envp数组的末尾。并进行堆栈溢出的保护。
    // 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
    __guard_setup(apple);
    
    • 然后根据当前dyld是否有初始值,在dyld中运行所有c++初始化器
    #if DYLD_INITIALIZER_SUPPORT
        // run all C++ initializers inside dyld
        runDyldInitializers(argc, argv, envp, apple);
    #endif
    
    • 最后在dyld完成引导后,读取Mach-O header 中的 偏移量aooSlide,然后调用dyld命名空间的_main函数。
    // now that we are done bootstrapping dyld, call dyld's main
    uintptr_t appsSlide = appsMachHeader->getSlide();
    return dyld::_main((macho_header*)appsMachHeader, appsSlide, argc, argv, envp, apple, startGlue);
    

    2.3 dyld::_main

    通过搜索namespace dyld {我们来到dyld2.cpp文件内,找_main函数,一看600多行代码,如果逐行阅读肯定很不明智,我们挑选有注释的地方看,因为注释的地方基本都是最主要的。

    首先看_main函数注释:

    dyld的入口函数,内核加载了dyld,然后跳转到__dyly_start来设置一些寄存器的值,然后调用到了这里(__main),此函数返回__dyld_start所跳转到的目标程序的main函数地址

    内核标志检查
    • 然后检查是否有内核标志

    cdHash值.jpg
    • 从环境变量中获取主可执行文件的cdHash值,这个哈希值mainExecutableCDHash在后面用来校验dyld3的启动闭包。

    模拟器加载.jpg
    • 追踪dyld的加载,然后判断当前是否是模拟器环境,如果不是模拟器,则追踪dyld和主二进制可执行文件的加载。

    platform ID.jpg
    • 在所有镜像文件中设置platform ID,以便调试器可以告诉进程类型,一旦我们在rdar://43369446中让内核处理它,这些都是可以删除的。

    15985844879874.jpg
    • 判断是否为macOS执行环境,如果是则看看是否需要覆盖平台,然后判断DYLD_ROOT_PATH环境变量是否存在,如果存在,然后判断是模拟器是否有自己指定的dyld,如果有就使用,如果没有就返回错误信息。

    15985958960585.jpg
    • 打印日志:dyld 启动开始
    • 根据传入的参数设置上下文
    • 获取指向exec路径的指针
    • 如果不是模拟器环境,并且是iPhone OS的最小支持版本,如果内核没有返回主可执行文件的真实路径就进行路径的赋值
    • 判断exec路径是否为绝对路径,如果为相对路径,则使用cwd转化为绝对路径

    15985960490868.jpg
    • 为了后续的日志打印从exec路径中取出进程的名称(strrchr函数是获取第二个参数出现的最后一个位置,然后返回从这个位置开始到结束的内容)
    • 根据APP主可执行文件Mach-O Header的内容配置进程的一些限制条件
    • 检查我们是否应该强制dyld3。注意,由于AMFI的原因,我们必须在常规的env解析之外进行此操作

    15985961852736.jpg
    • 判断执行环境是否是macOS,如果是在判断上下文的一些配置属性是否以及配置好了,如果没配置好,就再次就行一次上下文的配置操作
    • 检查环境变量
    • 初始化默认的回调路径
    • 判断当前APP的Mach-O的平台类型是IOSMAC,重置上下文的根路径,标记iOSonMactrue,在做一些回调路径的判断和设置
    • 如果不是IOSMAC而是driverKit在做一些配置

    15985969100276.jpg
    • 根据环境变量打印一些信息
    • 对环境变量的一些解析容错处理等
    • 如果不是TMPDIR格式就退出

    15985974845146.jpg
    • 获取Mach-O info
    • 判断共享缓存是否开始,如果开启了就将共享换粗映射到当前进程的逻辑内存空间内

    15985977914313.jpg
    • 如果我们还没有闭包模式,那么检查环境和缓存类型

    Xnip2020-08-28_15-02-54.jpg
    • 在非模拟器环境判断闭包的状态,如果是Off就获取上下文的错误信息并打印日志
    • 如果不是则进行闭包的处理,由于dyld3会创建一个启动闭包,我们需要来读取它,这里会先在缓存里面查找是否有启动闭包的存在,系统级的APP的启动闭包存在于共享缓存中,我们自己开发的APP的启动闭包是在APP安装或者升级的时候构建的,所以这里检查dyld中的缓存是有意义的。
    • 我们会尝试在运行时期间构建一个的闭包,如果它是一个iOS第三方二进制文件,或一个来自共享缓存的macOS二进制文件
    • 如果我们没有找到一个有效的缓存闭包,那么尝试建立一个新的
    • 在建立闭包后退出dyld,不运行程序
    • 如果找到了有效的闭包则尝试使用启动闭包
      • 打印日志: dyld3 开始启动
      • 如果启动失败则创建一个新的启动闭包尝试再次启动
      • 如果启动成功,由于start()函数指针的方式调用_main方法的返回指针,所以需要进行签名。
    • 如果还没有使用闭包则进行旧的启动方式

    15985995917633.jpg
    • 开始接受gdb通知,
    • 使初始化的空间足够大,这样就不太可能需要重新分配(re-alloced)

    15985997596035.jpg
    • 添加门控机制,支持系统订单文件生成过程
    • 最主要的是addDyldImageToUUIDList,添加dyld的景象文件到UUID列表中,主要目的是启用堆栈的符号化。

    reloadAllImages:

    这里就是重头戏了,加载所有的镜像文件,我们挑重点看,因为这里涉及很多逻辑,包括对包版本Mach-O的不严格的要求,以及对simulators, iOS, tvOS, watchOS的一些不同处理。

    下面我们看到如下代码:

    // instantiate ImageLoader for main executable
            sMainExecutable = instantiateFromLoadedImage(mainExecutableMH, mainExecutableSlide, sExecPath);
    

    这里根据函数的意思就是实例化我们的主程序,我们来到这个方法内部:

    // The kernel maps in main executable before dyld gets control.  We need to 
    // make an ImageLoader* for the already mapped in main executable.
    static ImageLoaderMachO* instantiateFromLoadedImage(const macho_header* mh, uintptr_t slide, const char* path)
    {
        // try mach-o loader
        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";
    }
    

    该方法的作用就是内核在dyld获得控制之前在主可执行文件中进行映射。我们需要为主可执行文件中已经映射的文件创建一个ImageLoader。从上面的代码不难看出实际创建是通过ImageLoaderMachO::instantiateMainExecutable函数真正创建的。我们点击跳转到该方法。

    // create image for main executable
    ImageLoader* ImageLoaderMachO::instantiateMainExecutable(const macho_header* mh, uintptr_t slide, const char* path, const LinkContext& context)
    {
        //dyld::log("ImageLoader=%ld, ImageLoaderMachO=%ld, ImageLoaderMachOClassic=%ld, ImageLoaderMachOCompressed=%ld\n",
        //  sizeof(ImageLoader), sizeof(ImageLoaderMachO), sizeof(ImageLoaderMachOClassic), sizeof(ImageLoaderMachOCompressed));
        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
    }
    

    我们继续探索,通过上面的方法还需要进入到sniffLoadCommands函数看看。又是一个长长的方法,PS倒地、难受、生无可恋,看看注释就知道sniffLoadCommands的主要功能是判断当前加载的Mach-O文件是不是原始的二进制文件还是压缩的LINKEDIT,以及获取该文件有多少段。好的,既然这个函数的左右已经明确了,并且我们只是为了拿到ImageLoader,那么直接返回。sniffLoadCommands执行完毕后根据LINKEDIT是压缩的格式还是传统格式分别调用ImageLoaderMachOCompressed::instantiateMainExecutableImageLoaderMachOClassic::instantiateMainExecutable进行实例化ImageLoader

    15986006360353.jpg

    拿到ImageLoaer后开始加载动态库,并记录插入库的数量,先试插入的库,然后是主库,最后是其他的库

    15986014239415.jpg

    加载完毕就是链接库:

    15986021020368.jpg
    • 首先是链接主二进制文件
    • 其次链接插入的动态库

    我们再来看看link函数吧

    void link(ImageLoader* image, bool forceLazysBound, bool neverUnload, const ImageLoader::RPathChain& loaderRPaths, unsigned cacheIndex)
    {
        // add to list of known images.  This did not happen at creation time for bundles
        if ( image->isBundle() && !image->isLinked() )
            addImage(image);
    
        // we detect root images as those not linked in yet 
        if ( !image->isLinked() )
            addRootImage(image);
        
        // process images
        try {
            const char* path = image->getPath();
    #if SUPPORT_ACCELERATE_TABLES
            if ( image == sAllCacheImagesProxy )
                path = sAllCacheImagesProxy->getIndexedPath(cacheIndex);
    #endif
            image->link(gLinkContext, forceLazysBound, false, neverUnload, loaderRPaths, path);
        }
        catch (const char* msg) {
            garbageCollectImages();
            throw;
        }
    }
    

    link函数内部,会递归调用,来实现库里面引用库的链接操作,对于Bundle类型的库被连接过就不会再次链接了,其他的库被链接过的有不会被再次链接


    15986027554117.jpg
    • 即使没有DYLD_INSERT_LIBRARIES环境变量, dyld也应该支持插入

    15986028300073.jpg
    • 如果支持快速表,则处理快速表

    15986029446096.jpg
    • 应用插入到初始图像集
    • 现在已经注册了插入操作,为主可执行文件绑定和通知
    • 现在已注册插入的图像的绑定和通知
    • 弱绑定后,只有所有插入的图像链接
    • 设置只读上下文

    15986031463860.jpg
    • 打印dyld 开始运行 initializers
    • 调用initializeMainExecutable初始化

    initializeMainExecutable 代码:

    void initializeMainExecutable()
    {
        // record that we've reached this step
        gLinkContext.startedInitializingMainExecutable = true;
    
        // run initialzers for any inserted dylibs
        ImageLoader::InitializerTimingList initializerTimes[allImagesCount()];
        initializerTimes[0].count = 0;
        const size_t rootCount = sImageRoots.size();
        if ( rootCount > 1 ) {
            for(size_t i=1; i < rootCount; ++i) {
                sImageRoots[i]->runInitializers(gLinkContext, initializerTimes[0]);
            }
        }
        
        // run initializers for main executable and everything it brings up 
        sMainExecutable->runInitializers(gLinkContext, initializerTimes[0]);
        
        // register cxa_atexit() handler to run static terminators in all loaded images when this process exits
        if ( gLibSystemHelpers != NULL ) 
            (*gLibSystemHelpers->cxa_atexit)(&runAllStaticTerminators, NULL, NULL);
    
        // dump info if requested
        if ( sEnv.DYLD_PRINT_STATISTICS )
            ImageLoader::printStatistics((unsigned int)allImagesCount(), initializerTimes[0]);
        if ( sEnv.DYLD_PRINT_STATISTICS_DETAILS )
            ImageLoaderMachO::printStatisticsDetails((unsigned int)allImagesCount(), initializerTimes[0]);
    }
    
    • 这里先为所有插入并链接完成的动态库执行初始化操作
    • 然后再为主程序可执行文件执行初始化操作
    • 注册cxa_atexit()处理程序,在进程退出时在所有加载的图像中运行静态终止符
    • 如果需要就打印一些垃圾信息

    runInitializers 源码:

    void ImageLoader::runInitializers(const LinkContext& context, InitializerTimingList& timingInfo)
    {
        uint64_t t1 = mach_absolute_time();
        mach_port_t thisThread = mach_thread_self();
        ImageLoader::UninitedUpwards up;
        up.count = 1;
        up.imagesAndPaths[0] = { this, this->getPath() };
        processInitializers(context, thisThread, timingInfo, up);
        context.notifyBatch(dyld_image_state_initialized, false);
        mach_port_deallocate(mach_task_self(), thisThread);
        uint64_t t2 = mach_absolute_time();
        fgTotalInitTime += (t2 - t1);
    }
    

    runInitializers 内部我们继续探索到processInitializers:
    processInitializers源码:

    // <rdar://problem/14412057> upward dylib initializers can be run too soon
    // To handle dangling dylibs which are upward linked but not downward, all upward linked dylibs
    // have their initialization postponed until after the recursion through downward dylibs
    // has completed.
    void ImageLoader::processInitializers(const LinkContext& context, mach_port_t thisThread,
                                         InitializerTimingList& timingInfo, ImageLoader::UninitedUpwards& images)
    {
        uint32_t maxImageCount = context.imageCount()+2;
        ImageLoader::UninitedUpwards upsBuffer[maxImageCount];
        ImageLoader::UninitedUpwards& ups = upsBuffer[0];
        ups.count = 0;
        // Calling recursive init on all images in images list, building a new list of
        // uninitialized upward dependencies.
        for (uintptr_t i=0; i < images.count; ++i) {
            images.imagesAndPaths[i].first->recursiveInitialization(context, thisThread, images.imagesAndPaths[i].second, timingInfo, ups);
        }
        // If any upward dependencies remain, init them.
        if ( ups.count > 0 )
            processInitializers(context, thisThread, timingInfo, ups);
    }
    

    然后我们根据源码继续探索recursiveInitialization

    recursiveInitialization 源码:

    
    void ImageLoader::recursiveInitialization(const LinkContext& context, mach_port_t this_thread, const char* pathToInitialize,
                                              InitializerTimingList& timingInfo, UninitedUpwards& uninitUps)
    {
        recursive_lock lock_info(this_thread);
        recursiveSpinLock(lock_info);
    
        if ( fState < dyld_image_state_dependents_initialized-1 ) {
            uint8_t oldState = fState;
            // break cycles
            fState = dyld_image_state_dependents_initialized-1;
            try {
                // initialize lower level libraries first
                for(unsigned int i=0; i < libraryCount(); ++i) {
                    ImageLoader* dependentImage = libImage(i);
                    if ( dependentImage != NULL ) {
                        // don't try to initialize stuff "above" me yet
                        if ( libIsUpward(i) ) {
                            uninitUps.imagesAndPaths[uninitUps.count] = { dependentImage, libPath(i) };
                            uninitUps.count++;
                        }
                        else if ( dependentImage->fDepth >= fDepth ) {
                            dependentImage->recursiveInitialization(context, this_thread, libPath(i), timingInfo, uninitUps);
                        }
                    }
                }
                
                // record termination order
                if ( this->needsTermination() )
                    context.terminationRecorder(this);
    
                // let objc know we are about to initialize this image
                uint64_t t1 = mach_absolute_time();
                fState = dyld_image_state_dependents_initialized;
                oldState = fState;
                context.notifySingle(dyld_image_state_dependents_initialized, this, &timingInfo);
                
                // initialize this image
                bool hasInitializers = this->doInitialization(context);
    
                // let anyone know we finished initializing this image
                fState = dyld_image_state_initialized;
                oldState = fState;
                context.notifySingle(dyld_image_state_initialized, this, NULL);
                
                if ( hasInitializers ) {
                    uint64_t t2 = mach_absolute_time();
                    timingInfo.addTime(this->getShortName(), t2-t1);
                }
            }
            catch (const char* msg) {
                // this image is not initialized
                fState = oldState;
                recursiveSpinUnLock();
                throw;
            }
        }
        
        recursiveSpinUnLock();
    }
    

    继续探索notifySingle

    notifySingle

    在第938行是获取镜像文件真实地址的代码。

    那么sNotifyObjCInit到底是在什么地方初始化的呢?我们通过全局搜索,最后找的在registerObjCNotifiers给其赋值。

    registerObjCNotifiers 源码:

    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;
    
        // call 'mapped' function with all images mapped so far
        try {
            notifyBatchPartial(dyld_image_state_bound, true, NULL, false, true);
        }
        catch (const char* msg) {
            // ignore request to abort during registration
        }
    
        // <rdar://problem/32209809> call 'init' function on all images already init'ed (below libSystem)
        for (std::vector<ImageLoader*>::iterator it=sAllImages.begin(); it != sAllImages.end(); it++) {
            ImageLoader* image = *it;
            if ( (image->getState() == dyld_image_state_initialized) && image->notifyObjC() ) {
                dyld3::ScopedTimer timer(DBG_DYLD_TIMING_OBJC_INIT, (uint64_t)image->machHeader(), 0, 0);
                (*sNotifyObjCInit)(image->getRealPath(), image->machHeader());
            }
        }
    }
    

    那么是什么地方调用了registerObjCNotifiers呢,我们继续搜索registerObjCNotifiers来到了_dyld_objc_notify_register函数。

    _dyld_objc_notify_register 源码:

    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);
    }
    

    那么我们还是会有疑问,_dyld_objc_notify_register的调用是从哪里开始的呢?我们在次全局搜索,却没有什么合适的地方是其被调用的地方。但是我们发现了如下所示的注释:仅供objc运行时使用,这个时候我们就知道了,此处的调用不在dyld源码里面了,所以我们需要转入libobjc源码继续探索。

    //
    // Note: only for use by objc runtime
    // Register handlers to be called when objc images are mapped, unmapped, and initialized.
    // Dyld will call back the "mapped" function with an array of images that contain an objc-image-info section.
    // Those images that are dylibs will have the ref-counts automatically bumped, so objc will no longer need to
    // call dlopen() on them to keep them from being unloaded.  During the call to _dyld_objc_notify_register(),
    // dyld will call the "mapped" function with already loaded objc images.  During any later dlopen() call,
    // dyld will also call the "mapped" function.  Dyld will call the "init" function when dyld would be called
    // initializers in that image.  This is when objc calls any +load methods in that image.
    //
    void _dyld_objc_notify_register(_dyld_objc_notify_mapped    mapped,
                                    _dyld_objc_notify_init      init,
                                    _dyld_objc_notify_unmapped  unmapped);
    
    15986056339510.jpg

    ** 果不其然,我们在objc源码中的_objc_init函数中找到了_dyld_objc_notify_register的调用。此处使用的是objc4-779.1

    经过上面一连串的跳转(xiabicaozuo)宝宝早就晕了。但是我们还是要淡定,这里是dyld注册回调,这样我们的Runtime才能知道镜像何时加载完毕。在ImageLoader::recursiveInitialization函数中有这样一行代码:

    // initialize this image
    bool hasInitializers = this->doInitialization(context);
    

    这里是真正做初始化操作的地方

    doInitialization 源码:

    bool ImageLoaderMachO::doInitialization(const LinkContext& context)
    {
        CRSetCrashLogMessage2(this->getPath());
    
        // mach-o has -init and static initializers
        doImageInit(context);
        doModInitFunctions(context);
        
        CRSetCrashLogMessage2(NULL);
        
        return (fHasDashInit || fHasInitializers);
    }
    

    ImageLoaderMachO::doInitialization源码中可以看到主要有两个操作,一个是:doImageInit,一个是doModInitFunctions

    doImageInit 源码:

    void ImageLoaderMachO::doImageInit(const LinkContext& context)
    {
        if ( fHasDashInit ) {
            const uint32_t cmd_count = ((macho_header*)fMachOData)->ncmds;
            const struct load_command* const cmds = (struct load_command*)&fMachOData[sizeof(macho_header)];
            const struct load_command* cmd = cmds;
            for (uint32_t i = 0; i < cmd_count; ++i) {
                switch (cmd->cmd) {
                    case LC_ROUTINES_COMMAND:
                        Initializer func = (Initializer)(((struct macho_routines_command*)cmd)->init_address + fSlide);
    #if __has_feature(ptrauth_calls)
                        func = (Initializer)__builtin_ptrauth_sign_unauthenticated((void*)func, ptrauth_key_asia, 0);
    #endif
                        // <rdar://problem/8543820&9228031> verify initializers are in image
                        if ( ! this->containsAddress(stripPointer((void*)func)) ) {
                            dyld::throwf("initializer function %p not in mapped image for %s\n", func, this->getPath());
                        }
                        if ( ! dyld::gProcessInfo->libSystemInitialized ) {
                            // <rdar://problem/17973316> libSystem initializer must run first
                            dyld::throwf("-init function in image (%s) that does not link with libSystem.dylib\n", this->getPath());
                        }
                        if ( context.verboseInit )
                            dyld::log("dyld: calling -init function %p in %s\n", func, this->getPath());
                        {
                            dyld3::ScopedTimer(DBG_DYLD_TIMING_STATIC_INITIALIZER, (uint64_t)fMachOData, (uint64_t)func, 0);
                            func(context.argc, context.argv, context.envp, context.apple, &context.programVars);
                        }
                        break;
                }
                cmd = (const struct load_command*)(((char*)cmd)+cmd->cmdsize);
            }
        }
    }
    

    doImageInit 内部会通过初始地址 + 偏移量拿到初始化器 func,然后进行签名的验证。验证通过后还要判断初始化器是否在镜像文件中以及 libSystem 库是否已经初始化,最后才执行初始化器。

    doModInitFunctions 源码:

    void ImageLoaderMachO::doModInitFunctions(const LinkContext& context)
    {
        if ( fHasInitializers ) {
            const uint32_t cmd_count = ((macho_header*)fMachOData)->ncmds;
            const struct load_command* const cmds = (struct load_command*)&fMachOData[sizeof(macho_header)];
            const struct load_command* cmd = cmds;
            for (uint32_t i = 0; i < cmd_count; ++i) {
                if ( cmd->cmd == LC_SEGMENT_COMMAND ) {
                    const struct macho_segment_command* seg = (struct macho_segment_command*)cmd;
                    const struct macho_section* const sectionsStart = (struct macho_section*)((char*)seg + sizeof(struct macho_segment_command));
                    const struct macho_section* const sectionsEnd = &sectionsStart[seg->nsects];
                    for (const struct macho_section* sect=sectionsStart; sect < sectionsEnd; ++sect) {
                        const uint8_t type = sect->flags & SECTION_TYPE;
                        if ( type == S_MOD_INIT_FUNC_POINTERS ) {
                            Initializer* inits = (Initializer*)(sect->addr + fSlide);
                            const size_t count = sect->size / sizeof(uintptr_t);
                            // <rdar://problem/23929217> Ensure __mod_init_func section is within segment
                            if ( (sect->addr < seg->vmaddr) || (sect->addr+sect->size > seg->vmaddr+seg->vmsize) || (sect->addr+sect->size < sect->addr) )
                                dyld::throwf("__mod_init_funcs section has malformed address range for %s\n", this->getPath());
                            for (size_t j=0; j < count; ++j) {
                                Initializer func = inits[j];
                                // <rdar://problem/8543820&9228031> verify initializers are in image
                                if ( ! this->containsAddress(stripPointer((void*)func)) ) {
                                    dyld::throwf("initializer function %p not in mapped image for %s\n", func, this->getPath());
                                }
                                if ( ! dyld::gProcessInfo->libSystemInitialized ) {
                                    // <rdar://problem/17973316> libSystem initializer must run first
                                    const char* installPath = getInstallPath();
                                    if ( (installPath == NULL) || (strcmp(installPath, libSystemPath(context)) != 0) )
                                        dyld::throwf("initializer in image (%s) that does not link with libSystem.dylib\n", this->getPath());
                                }
                                if ( context.verboseInit )
                                    dyld::log("dyld: calling initializer function %p in %s\n", func, this->getPath());
                                bool haveLibSystemHelpersBefore = (dyld::gLibSystemHelpers != NULL);
                                {
                                    dyld3::ScopedTimer(DBG_DYLD_TIMING_STATIC_INITIALIZER, (uint64_t)fMachOData, (uint64_t)func, 0);
                                    func(context.argc, context.argv, context.envp, context.apple, &context.programVars);
                                }
                                bool haveLibSystemHelpersAfter = (dyld::gLibSystemHelpers != NULL);
                                if ( !haveLibSystemHelpersBefore && haveLibSystemHelpersAfter ) {
                                    // now safe to use malloc() and other calls in libSystem.dylib
                                    dyld::gProcessInfo->libSystemInitialized = true;
                                }
                            }
                        }
                        else if ( type == S_INIT_FUNC_OFFSETS ) {
                            const uint32_t* inits = (uint32_t*)(sect->addr + fSlide);
                            const size_t count = sect->size / sizeof(uint32_t);
                            // Ensure section is within segment
                            if ( (sect->addr < seg->vmaddr) || (sect->addr+sect->size > seg->vmaddr+seg->vmsize) || (sect->addr+sect->size < sect->addr) )
                                dyld::throwf("__init_offsets section has malformed address range for %s\n", this->getPath());
                            if ( seg->initprot & VM_PROT_WRITE )
                                dyld::throwf("__init_offsets section is not in read-only segment %s\n", this->getPath());
                            for (size_t j=0; j < count; ++j) {
                                uint32_t funcOffset = inits[j];
                                // verify initializers are in TEXT segment
                                if ( funcOffset > seg->filesize ) {
                                    dyld::throwf("initializer function offset 0x%08X not in mapped image for %s\n", funcOffset, this->getPath());
                                }
                                if ( ! dyld::gProcessInfo->libSystemInitialized ) {
                                    // <rdar://problem/17973316> libSystem initializer must run first
                                    const char* installPath = getInstallPath();
                                    if ( (installPath == NULL) || (strcmp(installPath, libSystemPath(context)) != 0) )
                                        dyld::throwf("initializer in image (%s) that does not link with libSystem.dylib\n", this->getPath());
                                }
                                Initializer func = (Initializer)((uint8_t*)this->machHeader() + funcOffset);
                                if ( context.verboseInit )
                                    dyld::log("dyld: calling initializer function %p in %s\n", func, this->getPath());
                                bool haveLibSystemHelpersBefore = (dyld::gLibSystemHelpers != NULL);
                                {
                                    dyld3::ScopedTimer(DBG_DYLD_TIMING_STATIC_INITIALIZER, (uint64_t)fMachOData, (uint64_t)func, 0);
                                    func(context.argc, context.argv, context.envp, context.apple, &context.programVars);
                                }
                                bool haveLibSystemHelpersAfter = (dyld::gLibSystemHelpers != NULL);
                                if ( !haveLibSystemHelpersBefore && haveLibSystemHelpersAfter ) {
                                    // now safe to use malloc() and other calls in libSystem.dylib
                                    dyld::gProcessInfo->libSystemInitialized = true;
                                }
                            }
                        }
                    }
                }
                cmd = (const struct load_command*)(((char*)cmd)+cmd->cmdsize);
            }
        }
    }
    

    doModInitFunctions函数通过判断fHasInitializers,从load_command里循环加载所有方法


    现在我们回到start函数

    通知监听所有监听着该进程即将进入main()

    // notify any montoring proccesses that this process is about to enter main()
    notifyMonitoringDyldMain();
    
    Xnip2020-08-28_17-56-53.jpg
    • 最后就是根据各个不同的版本对result进行赋值,还有部分容错处理,最后返回result

    小结:

    至此我们的dyld::start就粗略的分析完毕了,过程有点复杂,有些也是一知半解的,对于dyld这个强大工具,由于本人才疏学浅,肯定难以分析的很透彻,如有错误欢迎指正。

    3. _objc_init 初探

    • 注: 此处使用的是objc4-779.1_objc_init函数在objc-os.mm文件中。

    根据上面的分析,我们来到objc4-779.1的源码中分析,根据上面的各种调用关系,我们来到_objc_init这个函数中打个断点,看看函数的调用栈,来验证一下我们的分析。

    函数调用栈.jpg

    通过函数调用栈我们可以清楚的看到此处的调用顺序,在dyld中最后调用的是doModInitFunctions函数。由此我们可以确定一个顺序:

    dyld->libSystem:libSystem_initializer->libdispatch:libdispatch_init->libdispatch:_os_object_init->libobjc:_objc_init

    我们打开libSystem的源码通过全局搜索libSystem_initializer,找到该函数,并在该函数内找到了libdispatch_init的调用。

    libSystem_initializer.jpg

    同样我们来到libdispatch的源码通过全局搜索libdispatch_init,找到该函数,并在函数内找到了_os_object_init的调用。

    libdispatch_init.jpg

    我们继续在libdispatch的源码查找_os_object_init,同样也验证了_objc_init函数的调用。

    _os_object_init.jpg

    至此我们找到了_objc_init的调用处,我们的初探就到这里结束了,那么_objc_init内部具体做了什么,我们会在后面的文章中着重分析。

    4.总结

    • 本文通过从APP的启动时的start函数引入到了对dyld的探索
    • dyld汇编中的_dyld_start找到dyldbootstrap::start
    • dyldbootstrap::start调用了rebaseDyld函数对Mach-O内部的DATA段指针进行了重设基址和绑定操作,并且初始化了mach的系统调用。接下来start函数还做了很多初始化操作
    • 下面从dyldbootstrap::start中调用了dyld::_main
    • _main中初始化一些上下文,对不同环境的加载做相应的区分,开启各种日志的打印,接收通知,对dyld2dyld3的闭包做相应处理,最后来到重头戏reloadAllImages加载所有的镜像文件
    • 加载镜像文件首先实例化一个ImageLoader,通过ImageLoader加载动态库,记录并插入库的数量,先试引用的库后主库,最后是其他库,加载完毕就是链接库
    • 链接库首先是链接主二进制文件,其次是引入的动态库,链接时是递归操作的,通过递归来实现库里面引用库的连接操作,链接完毕后循环插入初始镜像集
    • 接下来就是为主可执行文件绑定通知,进行弱引用处理,设置只读上下文;初始化所有动态库,先初始化所有插入并连接完成的动态库,然后为主程序执行初始化操作
    • 然后我们通过获取镜像文件的真实地址对其进行初始化,初始化的时候通过各种调用的分析,我们找到了它在objc:_objc_init函数的具体初始化操作。
    • 最后通过notifyMonitoringDyldMain函数,通知监听所有监听着该进程即将进入main()函数

    相关文章

      网友评论

        本文标题:iOS 应用加载`dyld`篇

        本文链接:https://www.haomeiwen.com/subject/cpflyktx.html