iOS底層原理探索--dyld加載流程分析

參考文章：https://juejin.im/post/5e12ce8a5188253a6647c900

前言

在平時(shí)的開(kāi)發(fā)過(guò)程中峭梳，我們經(jīng)歷過(guò)成千上萬(wàn)次的 Command + B/R 的過(guò)程页徐，但可能很少有人關(guān)注這個(gè)過(guò)程中 XCode 幫我們做了哪些些事情。

事實(shí)上媳危，這個(gè)過(guò)程分解為4個(gè)步驟络凿，分別是預(yù)處理(Prepressing)骡送、編譯(Compilation)、匯編(Assembly)和鏈接(Linking). ------ 摘自《程序員的自我修養(yǎng)-- 鏈接喷众、裝載與庫(kù)》

在以上4個(gè)步驟中各谚，IDE主要做了以下幾件事:

1. 處理代碼中的 # 開(kāi)頭的預(yù)編譯指令，比如刪除#define并展開(kāi)宏定義到千，將#include包含的文件插入到該指令位置等昌渤；
2. 對(duì)預(yù)編譯處理過(guò)的文件進(jìn)行詞法分析、語(yǔ)法分析和語(yǔ)義分析憔四，并進(jìn)行源代碼優(yōu)化膀息，然后生成匯編代碼；
3. 通過(guò)匯編器將匯編代碼轉(zhuǎn)換為機(jī)器可以執(zhí)行的指令了赵，并生成目標(biāo)文件.o文件潜支；
4. 將目標(biāo)文件鏈接成可執(zhí)行文件。這一過(guò)程中柿汛，鏈接器將不同的目標(biāo)文件鏈接起來(lái)冗酿，因?yàn)椴煌哪繕?biāo)文件之間可能有相互引用的變量或調(diào)用的函數(shù)，如我們經(jīng)常調(diào)用 Foundation 框架和 UIKit 框架中的方法和變量络断，但是這些框架跟我們的代碼并不在一個(gè)目標(biāo)文件中裁替，這就需要鏈接器將它們與我們自己的代碼鏈接起來(lái)。

在蘋(píng)果的操作系統(tǒng)中貌笨，就是由dyld來(lái)完成鏈接加載程序的操作弱判。

一、dyld簡(jiǎn)介

dyld(The dynamic link editor)是蘋(píng)果的動(dòng)態(tài)鏈接器锥惋，負(fù)責(zé)程序的鏈接及加載工作昌腰，是蘋(píng)果操作系統(tǒng)的重要組成部分。dyld是開(kāi)源的膀跌，我們可以在蘋(píng)果的開(kāi)源網(wǎng)站 OpenSource 上找到其源碼遭商。

點(diǎn)擊去下載dyld源碼

下載源碼，我們就可以分析dyld的加載過(guò)程了捅伤。

二株婴、流程分析

首先我們創(chuàng)建新的iOS工程，在ViewController的 .m 文件中實(shí)現(xiàn)一個(gè)空的 orange}{+load()}$ 方法，并在該方法打斷點(diǎn)

運(yùn)行工程到此斷點(diǎn)后，可以發(fā)現(xiàn)其函數(shù)調(diào)用棧如下：

函數(shù)調(diào)用棧

2.1 start函數(shù)分析

從函數(shù)調(diào)用棧我們可以看見(jiàn)第一個(gè)調(diào)用的地方在dyld的 start 函數(shù), 點(diǎn)擊可以看見(jiàn)匯編代碼如下

dyld_start匯編

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
    slide = slideOfMainExecutable(dyldsMachHeader);
    bool shouldRebase = slide != 0;
#if __has_feature(ptrauth_calls)
    shouldRebase = true;
#endif
    if ( shouldRebase ) {
        rebaseDyld(dyldsMachHeader, slide);
    }

    // allow dyld to use mach messaging
    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
    __guard_setup(apple);

#if DYLD_INITIALIZER_SUPPORT
    // run all C++ initializers inside dyld
    runDyldInitializers(dyldsMachHeader, slide, argc, argv, envp, apple);
#endif

    // now that we are done bootstrapping dyld, call dyld's main
    uintptr_t appsSlide = slideOfMainExecutable(appsMachHeader);
    return dyld::_main(appsMachHeader, appsSlide, argc, argv, envp, apple, startGlue);
}

在 start() 函數(shù)中主要做了一下幾件事：

1. 根據(jù)dyldsMachHeader計(jì)算出 slide, 通過(guò)slide判定是否需要重定位导坟；這里的slide是根據(jù) 計(jì)算出的一個(gè)隨機(jī)值屿良，使得程序每一次運(yùn)行的偏移值都不一樣，防止攻擊者通過(guò)固定地址發(fā)起惡意攻擊惫周；

slide = slideOfMainExecutable(dyldsMachHeader);
    bool shouldRebase = slide != 0;
#if __has_feature(ptrauth_calls)
    shouldRebase = true;
#endif
    if ( shouldRebase ) {
        rebaseDyld(dyldsMachHeader, slide);
    }

2. 初始化 mach_init() 尘惧，(allow dyld to use mach messaging，允許dyld使用mach消息傳遞)递递；
3. 棧溢出保護(hù)
4. 計(jì)算 appsMachHeader 的偏移喷橙，調(diào)用 dyld::_main() 函數(shù)。
   由此我們進(jìn)入到了函數(shù)調(diào)用棧中 dyld::_main() 函數(shù)中登舞。

2.2 dyld::_main()函數(shù)分析

點(diǎn)擊進(jìn)入 dyld::_main() 函數(shù)贰逾，代碼如下

// 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)
{

}

dyld::main()函數(shù)的代碼比較多，這里只展示了方法名稱(chēng)和參數(shù)菠秒。dyld::main()主要做了以下幾件事：

1. setContext:
2. 加載共享緩存
3. reloadAllImages
4. 加載插入的庫(kù)（load any inserted libraries）
5. 鏈接主程序和插入的庫(kù)
6. 初始化主程序疙剑，initializeMainExecutable();

2.2.1 設(shè)置上下文及配置環(huán)境變量

CRSetCrashLogMessage("dyld: launch started");
setContext(mainExecutableMH, argc, argv, envp, apple);

在main函數(shù)的 launch started 處我們可以發(fā)現(xiàn) setContext() 方法，點(diǎn)進(jìn)方法我們我們發(fā)現(xiàn)這一步就是設(shè)置上下文 gLinkContext 践叠，點(diǎn)進(jìn) gLinkContext 我們發(fā)現(xiàn)它是一個(gè)LinkContext類(lèi)型變量

gLinkContext

我們?cè)冱c(diǎn)進(jìn)去LinkContext可以發(fā)現(xiàn)它是一個(gè)結(jié)構(gòu)體,

LinkContext結(jié)構(gòu)體

configureProcessRestrictions(mainExecutableMH);
checkEnvironmentVariables(envp);

接下來(lái)要配置進(jìn)程受限以及檢測(cè)環(huán)境變量，這兩步操作會(huì)影響到有些庫(kù)是否會(huì)被加載匾二。

2.2.2 加載共享緩存

我們?yōu)槭裁匆虞d共享緩存哮独？共享緩存到底是什么呢？舉個(gè)例子察藐，我們開(kāi)發(fā)過(guò)程中會(huì)經(jīng)常用到 UIKit 和 Foundation 框架皮璧，這些框架是放在哪里呢，怎樣加載呢分飞？如果每個(gè)app在運(yùn)行時(shí)都加載一次悴务，顯然會(huì)十分影響效率，也是一種不經(jīng)濟(jì)的方式。蘋(píng)果為了解決這一問(wèn)題讯檐，使用了共享緩存機(jī)制這一方式羡疗。對(duì)于系統(tǒng)動(dòng)態(tài)庫(kù)，在app用到某一動(dòng)態(tài)庫(kù)時(shí)就加載進(jìn)內(nèi)存别洪，其他app用到該動(dòng)態(tài)庫(kù)時(shí)就不必重復(fù)加載叨恨。

點(diǎn)擊 mapSharedCache() 方法中的 loadDyldCache 方法可以發(fā)現(xiàn)，會(huì)有這一邏輯判斷挖垛，代碼如下痒钝。

bool loadDyldCache(const SharedCacheOptions& options, SharedCacheLoadInfo* results)
{
    results->loadAddress        = 0;
    results->slide              = 0;
    results->errorMessage       = nullptr;

#if TARGET_IPHONE_SIMULATOR
    // simulator only supports mmap()ing cache privately into process
    return mapCachePrivate(options, results);
#else
    if ( options.forcePrivate ) {
        // mmap cache into this process only
        return mapCachePrivate(options, results);
    }
    else {
        // fast path: when cache is already mapped into shared region
        bool hasError = false;
        if ( reuseExistingCache(options, results) ) {
            hasError = (results->errorMessage != nullptr);
        } else {
            // slow path: this is first process to load cache
            hasError = mapCacheSystemWide(options, results);
        }
        return hasError;
    }
#endif
}

在進(jìn)行共享緩存的加載前，dyld會(huì)檢測(cè)是否可以禁用共享緩存痢毒，代碼如下送矩，我們可以發(fā)現(xiàn)iOS系統(tǒng)下無(wú)法禁用共享緩存。

static void checkSharedRegionDisable(const dyld3::MachOLoaded* mainExecutableMH, uintptr_t mainExecutableSlide)
{
#if __MAC_OS_X_VERSION_MIN_REQUIRED
    // if main executable has segments that overlap the shared region,
    // then disable using the shared region
    if ( mainExecutableMH->intersectsRange(SHARED_REGION_BASE, SHARED_REGION_SIZE) ) {
        gLinkContext.sharedRegionMode = ImageLoader::kDontUseSharedRegion;
        if ( gLinkContext.verboseMapping )
            dyld::warn("disabling shared region because main executable overlaps\n");
    }
#if __i386__
    if ( !gLinkContext.allowEnvVarsPath ) {
        // <rdar://problem/15280847> use private or no shared region for suid processes
        gLinkContext.sharedRegionMode = ImageLoader::kUsePrivateSharedRegion;
    }
#endif
#endif
    // iOS cannot run without shared region

2.2.3 reloadAllImages

在MachO文件的LoadCommands中的有一種類(lèi)型叫 LC_LOAD_DYLIB 哪替，這一類(lèi)型標(biāo)識(shí)的是程序所依賴(lài)的動(dòng)態(tài)庫(kù)栋荸，如圖所示：

MachO文件LoadCommands

程序運(yùn)行時(shí)可以通過(guò)LC_LOAD_DYLIB來(lái)加載動(dòng)態(tài)庫(kù)，dyld中通過(guò) instantiateFromLoadedImage() 函數(shù)來(lái)讀取相關(guān)信息夷家，進(jìn)行動(dòng)態(tài)庫(kù)的加載

// 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";
}

首先調(diào)用 isCompatibleMachO() 判斷是否兼容此MachO文件, 主要是判斷MachO文件的Magic number蒸其、cputype、cpusubtype等字段是否正確库快。

MachO文件Header

如果MachO文件格式不正確則拋出異常摸袁，否則執(zhí)行 instantiateMainExecutable() 方法實(shí)例化主程序，并添加image到sAllImages數(shù)組中义屏。我們來(lái)看一下 instantiateMainExecutable() 函數(shù)

// 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
}

在該函數(shù)中有幾個(gè)未初始化的變量，這幾個(gè)變量的地址作為參數(shù)兄墅，在 sniffLoadCommands() 調(diào)用后發(fā)生改變踢星。
sniffLoadCommands() 函數(shù)的實(shí)現(xiàn)如下：

// determine if this mach-o file has classic or compressed LINKEDIT and number of segments it has
void ImageLoaderMachO::sniffLoadCommands(const macho_header* mh, const char* path, bool inCache, bool* compressed,
                                            unsigned int* segCount, unsigned int* libCount, const LinkContext& context,
                                            const linkedit_data_command** codeSigCmd,
                                            const encryption_info_command** encryptCmd)
{
    *compressed = false;
    *segCount = 0;
    *libCount = 0;
    *codeSigCmd = NULL;
    *encryptCmd = NULL;
    ......省略部分代碼
    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;
        *compressed = true;
        break;
    case LC_SEGMENT_COMMAND:
        segCmd = (struct macho_segment_command*)cmd;
    case LC_SEGMENT_COMMAND:
        // ignore zero-sized segments
        if ( segCmd->vmsize != 0 ) *segCount += 1;
    case LC_LOAD_DYLIB:
    case LC_LOAD_WEAK_DYLIB:
    case LC_REEXPORT_DYLIB:
    case LC_LOAD_UPWARD_DYLIB:
        *libCount += 1;
        // fall thru
    case LC_CODE_SIGNATURE:
        ......
        if ( *codeSigCmd != NULL )
        throw "malformed mach-o image: multiple LC_CODE_SIGNATURE load commands";
        *codeSigCmd = (struct linkedit_data_command*)cmd;
        break;
    case LC_ENCRYPTION_INFO:
        ......
        if ( *encryptCmd != NULL )
        throw "malformed mach-o image: multiple LC_ENCRYPTION_INFO load commands";
        *encryptCmd = (encryption_info_command*)cmd;
        break;

介于代碼比較長(zhǎng)，這里只展示了部分代碼隙咸，不過(guò)我們也可以看見(jiàn)該函數(shù)主要是讀取了MachO文件的LoadCommands信息沐悦，并賦值給之前定義的變量。
這幾個(gè)變量的含義如下：

1. compressed：
2. segCount: MachO文件中segment數(shù)量
3. libCount: MachO文件中依賴(lài)的動(dòng)態(tài)庫(kù)的數(shù)量
4. codeSigCmd: 簽名信息
5. encryptCmd: 加密信息五督，如cryptid等

2.2.4 加載插入的庫(kù)

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.
    sInsertedDylibCount = sAllImages.size()-1;

根據(jù) DYLD_INSERT_LIBRARIES 來(lái)判定是否加載插入的庫(kù)藏否，如果允許加載插入的庫(kù)且有插入的庫(kù)，則for循環(huán)執(zhí)行 loadInsertedDylib() 函數(shù)加載動(dòng)態(tài)庫(kù)充包，如果不允許加載插入的庫(kù)副签，則執(zhí)行下面的操作。

2.2.5 鏈接主程序和插入的庫(kù)

// link main executable
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);
}--nExecutable, 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
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(gLinkContext);
   }
}

通過(guò) link() 函數(shù)鏈接主程序和插入的庫(kù)，鏈接完畢后還會(huì)進(jìn)行 recursiveBind() 淆储、弱綁定 weakBind() 冠场。至此，dyld進(jìn)行setContext遏考、加載共享緩存慈鸠、reloadAllImages、加載插入的庫(kù)灌具、鏈接主程序和插入的庫(kù)已完成，加下來(lái)會(huì)進(jìn)行初始化主程序的操作譬巫。

2.2.6 initializeMainExecutable()

進(jìn)行到這一步咖楣，我們會(huì)發(fā)現(xiàn)正好對(duì)應(yīng)文章開(kāi)頭的函數(shù)調(diào)用棧中第6步的 initializeMainExecutable() 函數(shù)。

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]);
}

從代碼中我們可以看到 runInitializers() 函數(shù)芦昔，由注釋可以看到該函數(shù)是用來(lái)運(yùn)行主程序初始化器的诱贿，而且該函數(shù)正對(duì)應(yīng)函數(shù)調(diào)用棧中的第5步，從這一步開(kāi)始方法的所在的類(lèi)由dyld變成了ImageLoader咕缎。我們進(jìn)入函數(shù)中看一下代碼：

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.images[0] = this;
    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);
}

在該函數(shù)中我們進(jìn)一步可以看到函數(shù)調(diào)用棧第4步的 processInitializers() 函數(shù)珠十，繼續(xù)點(diǎn)進(jìn)該函數(shù)我們會(huì)發(fā)現(xiàn)，函數(shù)調(diào)用棧的第3步 recursiveInitialization() 函數(shù)凭豪，此時(shí)我們無(wú)法再點(diǎn)進(jìn)函數(shù)焙蹭，但是可以通過(guò)在本文件中搜索的方式找到該函數(shù)。

recursiveInitialization()

在該函數(shù)中調(diào)用 doInitialization() 函數(shù)進(jìn)行初始化后嫂伞，會(huì)調(diào)用 LinkContext 的 notifySingle() 函數(shù)孔厉，到這里我們發(fā)現(xiàn)該函數(shù)與函數(shù)調(diào)用棧的第2步的正好對(duì)應(yīng)。接著函數(shù)調(diào)用棧的 load_images 函數(shù)帖努，我們?cè)?notifySingle() 并沒(méi)有找到撰豺，而且在函數(shù)調(diào)用棧中也沒(méi)有看到該函數(shù)在哪個(gè)類(lèi)中，我的理解是 notifySingle() 是一個(gè)通知回調(diào)函數(shù)拼余，因此并不在dyld加載過(guò)程中污桦。其實(shí)這一部分屬于objc調(diào)用流程中也會(huì)有，我將在探索類(lèi)的加載時(shí)繼續(xù)探索該部分內(nèi)容匙监。

三凡橱、總結(jié)

本篇文章主要總結(jié)了dyld的加載流程。將源代碼轉(zhuǎn)換為目標(biāo)文件一般會(huì)經(jīng)歷 預(yù)編譯舅柜、編譯梭纹、匯編、鏈接的過(guò)程致份，dyld就是蘋(píng)果的鏈接器变抽，用于將可執(zhí)行文件鏈接成目標(biāo)文件，其主要流程有：

• 1??、設(shè)置上下文及配置環(huán)境變量
• 2??绍载、加載共享緩存
• 3??诡宗、reloadAllImages
• 4??、加載插入的庫(kù)
• 5??击儡、鏈接主程序和插入的庫(kù)
• 6??塔沃、初始化主程序

本文是第一次進(jìn)行dyld底層探索，還有許多細(xì)節(jié)沒(méi)有探索阳谍，歡迎大家批評(píng)指正蛀柴，我會(huì)不斷進(jìn)行完善，后續(xù)也會(huì)繼續(xù)進(jìn)行底層的探索矫夯。