09_Mach-O文件解析

作者: 伶俐ll | 来源:发表于2020-08-04 17:15 被阅读0次

Macho-O 是什么

Mach-O 是 Mach object 文件格式的缩写，它是一种用于记录可执行文件、对象代码、共享库、动态加载代码和内存转储的文件格式。

大多数基于 Mach 内核的操作系统都使用 Mach-O，如NeXTSTEP、OS X 和 iOS 。

Universal Binary

Universal Binary:通用二进制文件，也称胖二进制文件，是将支持不同架构的Mach-O打包在一起，再在文件起始位置加上Fat Header来说明所包含的Mach-O文件支持的架构和偏移地址信息。

Snip20200814_24.png

Magic Number：魔数（与UNIX的ELF文件一样），加载器通过这个魔数值来判断这是什么文件。
Number of Architecture：当前的Fat Binary文件包含了多少个不同架构的Mach-O文件。

Mach-O文件格式

image.png

官方描述：
https://developer.apple.com/library/content/documentation/DeveloperTools/Conceptual/MachOTopics/0-Introduction/introduction.html

可以在xnu源码中，查看到Mach-O格式的详细定义（https://opensource.apple.com/tarballs/xnu/）

Mach-O文件的数据主体可分为三个部分：

Header：结构体定义在mach-o/loader.h头文件中，存储着Mach-O的一些基本信息，包括了文件类型、平台、LoadCommands的个数等等。
LoadCommands：加载命令，在mach-o/loader.h中可以看到对Load Command的定义，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。

下面将分别对每一部分进行介绍

一、Header

查看xnu源码我们可以得知，定义Header的结构体如下：

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;
};
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;
};

1、 magic

Mach-O的魔数，很多类型的文件，其起始的几个字节的内容是固定的，根据这几个字节的内容就可以确定文件类型，因此这几个字节的内容被称为魔数。在这里用于标示文件架构类型，也就是说判断是x86、x64、armv7、arm64。

//fat.h
//胖二进制文件
#define FAT_MAGIC   0xcafebabe
#define FAT_CIGAM   0xbebafeca
//loader.h
//非64bit架构文件
#define MH_MAGIC    0xfeedface  
#define MH_CIGAM    0xcefaedfe
//loader.h
//64bit架构文件
#define MH_MAGIC_64 0xfeedfacf 
#define MH_CIGAM_64 0xcffaedfe

2、 cputype与cpusubtype

定义了Mach-o所能支持的所有CPU类型，x86和arm的如下。

#define CPU_ARCH_ABI64  0x01000000      /* 64 bit ABI */
#define CPU_TYPE_X86        ((cpu_type_t) 7)
#define CPU_TYPE_I386       CPU_TYPE_X86   
#define CPU_TYPE_X86_64     (CPU_TYPE_X86 | CPU_ARCH_ABI64)
#define CPU_TYPE_ARM        ((cpu_type_t) 12)
#define CPU_TYPE_ARM64          (CPU_TYPE_ARM | CPU_ARCH_ABI64)

3、ncmds和sizeofcmds

这个cmd就是加载命令，ncmds就是加载命令的个数，而sizeofcmds就是加载命令的字节数。

4、flags

程序的标识位

5、 reserved

64bit的保留字段。

6、filetype

用于判断程序的文件类型,在mach-o/loader.h中定义一组宏可以很直观的明白该位的意义。

#define    MH_OBJECT   0x1     /* relocatable object file */
#define    MH_EXECUTE  0x2     /* demand paged executable file */
#define    MH_FVMLIB   0x3     /* fixed VM shared library file */
#define    MH_CORE     0x4     /* core file */
#define    MH_PRELOAD  0x5     /* preloaded executable file */
#define    MH_DYLIB    0x6     /* dynamically bound shared library */
#define    MH_DYLINKER 0x7     /* dynamic link editor */
#define    MH_BUNDLE   0x8     /* dynamically bound bundle file */
#define    MH_DYLIB_STUB   0x9     /* shared library stub for static */
                /*  linking only, no section contents */
#define    MH_DSYM     0xa     /* companion file with only debug */
                /*  sections */
#define    MH_KEXT_BUNDLE  0xb     /* x86_64 kexts */

其中，常见的Mach-O文件类型有：

MH_OBJECT ：

.o 文件（目标文件）

zhanglingli@bogon 逆向 % file test.c 
test.c: c program text, UTF-8 Unicode text
zhanglingli@bogon 逆向 % clang -c test.c 
zhanglingli@bogon 逆向 % file test.o
test.o: Mach-O 64-bit object x86_64

.a文件（静态库文件,其实就是N个.o合并在一起）

zhanglingli@bogon 逆向 % file libPods.a 
libPods.a: Mach-O universal binary with 2 architectures: 
[arm_v7:current ar archive random library] [arm64:current 
ar archive random library]
libPods.a (for architecture armv7): current ar archive 
random library
libPods.a (for architecture arm64): current ar archive 
random library

MH_EXECUTE

可执行文件

```
 lingli@bogon 逆向 % clang -o test2 test.c
 lingli@bogon 逆向 % file test2
 test2: Mach-O 64-bit executable x86_64
 ```

MH_DYLIB：动态库文件

.dylib

zhanglingli@bogon 逆向 % cd /usr/lib           
zhanglingli@bogon lib % file libssl.44.dylib 
libssl.44.dylib: Mach-O 64-bit dynamically linked shared 
library x86_64

.framework/xx

MH_DYLINKER

动态链接编辑器

/usr/lib/dyld

zhanglingli@bogon 逆向 % file dyld 
dyld: Mach-O universal binary with 2 architectures: 
[arm_v7s:Mach-O dynamic linker arm_v7s] [arm64:Mach-O 
64-bit dynamic linker arm64]
dyld (for architecture armv7s):   Mach-O dynamic linker 
arm_v7s
dyld (for architecture arm64):    Mach-O 64-bit dynamic 
linker arm64

MH_DSYM

存储着二进制文件符号信息的文件，.dSYM/Contents/Resources/DWARF/xx（常用于分析APP的崩溃信息）

zhanglingli@bogon 逆向 % file weather                                          
weather: Mach-O universal binary with 2 architectures: 
[arm_v7:Mach-O dSYM companion file arm_v7] [arm64]
weather (for architecture armv7):    Mach-O dSYM 
companion file arm_v7
weather (for architecture arm64):    Mach-O 64-bit dSYM 
companion file arm64

MH_CORE0

程序Crash之后产生的Core文件

MH_BUNDLE0

Xcode里面可以创建bundle的Target，编译之后在bundle后缀名的文件夹下面可以找到

在Xcode中查看target的Mach-O类型

image.png

二、Load commands

在mach-o/loader.h中可以看到对Load Command的定义。

struct load_command {
    uint32_t cmd;
    uint32_t cmdsize;
};

加载命令，上面头部中的数据已经说明了整个Mach-O文件的基本信息，但整个Mach-O中最重要的还要数加载命令。这些加载命令在Mach-O文件加载解析时，被内核加载器或者动态链接器调用，指导如何设置加载对应的二进制数据段。

Snip20200814_28.png

Snip20200814_27.png

VM Address: 位于虚拟内存中的地址
VMSize: 占用虚拟内存的大小
File Offset: 在Mach-o文件中的位置
File Size: 在Mach-o文件中占据的大小

由上表可知

_PAGEZERO段的file size为0，意味着在mach-o文件中并不存在_pagezero段的内容，在mach-o文件载入内存的时候，才会给mach-o文件分配 _pagezero段。
__TEXT段的内存地址正好是_pagezero段的内存大小，并且__TEXT段的file offset是0，说明从头部信息开始到最后一个__TEXT段结束，都属于代码段，也就是_TEXT段。
__TEXT段的VMSize和File Size相等，说明 __TEXT段的数据是直接载入内存的。
在没有使用ASLR技术之前，可执行文件的内存地址是0x0，__TEXT段的内存地址就是VM Address，在使用了ASLR技术之后，可执行文件的内存地址是ASLR随机产生的Offset；__TEXT段的内存地址就是VM Address + Offset。

可以使用`size -l -m -x`来查看Mach-O的内存分布

zhanglingli@bogon 逆向mySelf % size -l -m -x daf 
daf (for architecture armv7):
Segment __PAGEZERO: 0x4000 (vmaddr 0x0 fileoff 0)
Segment __TEXT: 0xc000 (vmaddr 0x4000 fileoff 0)
    Section __text: 0x1db4 (addr 0xbcc8 offset 31944)
    Section __picsymbolstub4: 0x3b0 (addr 0xda7c offset 39548)
    Section __stub_helper: 0x2e8 (addr 0xde2c offset 40492)
    Section __objc_methname: 0xf60 (addr 0xe114 offset 41236)
    Section __cstring: 0x419 (addr 0xf074 offset 45172)
    Section __objc_classname: 0xb8 (addr 0xf48d offset 46221)
    Section __objc_methtype: 0xab9 (addr 0xf545 offset 46405)
    total 0x4336
Segment __DATA: 0x4000 (vmaddr 0x10000 fileoff 49152)
    Section __nl_symbol_ptr: 0x48 (addr 0x10000 offset 49152)
    Section __la_symbol_ptr: 0xec (addr 0x10048 offset 49224)
    Section __cfstring: 0x30 (addr 0x10134 offset 49460)
    Section __objc_classlist: 0xc (addr 0x10164 offset 49508)
    Section __objc_nlclslist: 0x4 (addr 0x10170 offset 49520)
    Section __objc_protolist: 0x18 (addr 0x10174 offset 49524)
    Section __objc_imageinfo: 0x8 (addr 0x1018c offset 49548)
    Section __objc_const: 0xae8 (addr 0x10194 offset 49556)
    Section __objc_selrefs: 0x94 (addr 0x10c7c offset 52348)
    Section __objc_protorefs: 0x8 (addr 0x10d10 offset 52496)
    Section __objc_classrefs: 0xc (addr 0x10d18 offset 52504)
    Section __objc_superrefs: 0x4 (addr 0x10d24 offset 52516)
    Section __objc_ivar: 0x8 (addr 0x10d28 offset 52520)
    Section __objc_data: 0xa0 (addr 0x10d30 offset 52528)
    Section __data: 0x168 (addr 0x10dd0 offset 52688)
    Section __bss: 0x140 (addr 0x10f38 offset 0)
    total 0x1078
Segment __LINKEDIT: 0x8000 (vmaddr 0x14000 fileoff 65536)
total 0x1c000

三、Raw segment data

在Load commands中定义的Segment的最原始的编译数据，是Mach-O文件中最大的一部分，包含了Load Command中所需的数据以及在虚存地址偏移量和大小；一般Mach-O文件有多个段(Segement)，段每个段有不同的功能，一般包括：

__PAGEZERO: 空指针陷阱段，映射到虚拟内存空间的第一页，用于捕捉对NULL指针的引用；
__TEXT: 代码段，包含了函数代码以及其他只读数据(Header、LoadCommands)。该段数据的保护级别为：VM_PROT_READ（读）、VM_PROT_EXECUTE(执行)，防止在内存中被修改；
__DATA: 数据段，包含了程序数据，全局变量，该段可写；
__LINKEDIT: 链接器使用的符号以及其他表。

dyld和Mach-O

APP的可执行文件、动态库都是由dyld负责加载的，dyld用于加载以下类型的Mach-O文件

MH_EXECUTE
MH_DYLIB
MH_BUNDLE

09_Mach-O文件解析

Macho-O 是什么

Universal Binary

Mach-O文件格式

一、Header

1、 magic

2、 cputype与cpusubtype

3、ncmds和sizeofcmds

4、flags

5、 reserved

6、filetype

MH_OBJECT ：

MH_EXECUTE

MH_DYLIB：动态库文件

MH_DYLINKER

MH_DSYM

MH_CORE0

MH_BUNDLE0

在Xcode中查看target的Mach-O类型

二、Load commands

可以使用`size -l -m -x`来查看Mach-O的内存分布

三、Raw segment data

dyld和Mach-O

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2、 cputype与cpusubtype

3、ncmds和sizeofcmds

4、flags

5、 reserved

6、filetype

MH_OBJECT ：

MH_EXECUTE

MH_DYLIB：动态库文件

MH_DYLINKER

MH_DSYM

MH_CORE0

MH_BUNDLE0

在Xcode中查看target的Mach-O类型

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