1平斩、虛擬內(nèi)存 & ASLR
在早期計(jì)算機(jī)中數(shù)據(jù)是直接通過物理地址訪問的，這就造成了下面兩個(gè)問題
- 1家卖、內(nèi)存不夠用
- 2前普、數(shù)據(jù)安全問題
內(nèi)存不夠 --- > 虛擬內(nèi)存
虛擬內(nèi)存就是通過創(chuàng)建一張物理地址和虛擬地址的映射表來管理內(nèi)存，提高了CPU利用率酥艳，使多個(gè)進(jìn)程可以同時(shí)/按需加載
- 在iOS中摊溶，每個(gè)進(jìn)程都有獨(dú)立的
虛擬內(nèi)存，存放物理內(nèi)存中充石，其地址是從0開始的莫换，大小固定4G，每個(gè)虛擬內(nèi)存又會按頁劃分骤铃，每頁16K拉岁，以頁為單位加載，每個(gè)進(jìn)程是相互獨(dú)立的惰爬，保證進(jìn)程間的數(shù)據(jù)安全 - 當(dāng)一個(gè)進(jìn)程只有部分功能使用時(shí)喊暖，系統(tǒng)會自動將使用部分加載到物理內(nèi)存中
- CPU在進(jìn)行數(shù)據(jù)訪問時(shí)，會先訪問虛擬內(nèi)存撕瞧，通過虛擬內(nèi)存和物理內(nèi)存的映射關(guān)系陵叽，去對應(yīng)的物理內(nèi)存中查找狞尔，在CPU上有專門處理映射的硬件
- 當(dāng)CPU訪問數(shù)據(jù)時(shí)，如果虛擬內(nèi)存中的數(shù)據(jù)沒有物理內(nèi)存綁定巩掺，會發(fā)生
缺頁異常（pagefault）偏序，會阻塞當(dāng)前進(jìn)程，直到數(shù)據(jù)加載到物理內(nèi)存中胖替，虛擬內(nèi)存和物理內(nèi)存綁定 - 當(dāng)內(nèi)存條中的內(nèi)存全部用完后研儒，系統(tǒng)會將新的數(shù)據(jù)
覆蓋到很久沒使用的內(nèi)存上
虛擬內(nèi)存和物理內(nèi)存
數(shù)據(jù)安全 --- > ASLR
因?yàn)樘摂M內(nèi)存的起始地址(0x000000)和大小(4G)是固定的，這就意味著我們的數(shù)據(jù)地址也是固定的独令，所以在iOS4.3引進(jìn)了ASLR
ASLR：英文全稱Address Space Layout Randomization端朵，也叫地址空間配置隨機(jī)加載，是一種針對緩沖區(qū)溢出的安全保護(hù)技術(shù)燃箭。通過對堆冲呢、棧、共享庫映射等線性區(qū)布局的隨機(jī)化遍膜，增強(qiáng)了攻擊者找到目標(biāo)物理內(nèi)存的難度碗硬，防止攻擊者直接定位攻擊代碼位置，達(dá)到阻止溢出攻擊的目的的一種技術(shù)瓢颅。
由于ASLR的存在恩尾，導(dǎo)致可執(zhí)行文件和動態(tài)鏈接庫在虛擬內(nèi)存中的地址每次都是不固定的，所以需要在編譯時(shí)來修復(fù)鏡像中的資源指針挽懦，來指向正確的地址翰意。即正確的內(nèi)存地址 = ASLR地址 + 偏移值
2、Mach-O
Mach-O文件是Mach Object文件格式的縮寫信柿，它是用于可執(zhí)行文件冀偶、動態(tài)庫、目標(biāo)代碼的文件格式渔嚷。作為a.out格式的替代进鸠，Mach-O格式提供了更強(qiáng)的擴(kuò)展性，以及更快的符號表信息訪問速度
我們可以通過工具MachOView來查看Mach-O文件具體信息
對于OS X 和iOS來說形病，Mach-O是其可執(zhí)行文件的格式客年，主要包括以下幾種文件類型
-
Executable：可執(zhí)行文件 -
Dylib：動態(tài)鏈接庫 -
Bundle：無法被鏈接的動態(tài)庫，只能在運(yùn)行時(shí)使用dlopen加載 -
Image：指的是Executable漠吻、Dylib和Bundle的一種 -
Framework：包含Dylib量瓜、資源文件和頭文件的集合
Mach-O文件格式
一個(gè)完整的Mach-O文件主要分為三大部分：
-
Header：Mach-O的cpu架構(gòu)，文件類型以及加載命令等信息 -
Load Comands：文件中數(shù)據(jù)的具體組織結(jié)構(gòu)途乃，不同數(shù)據(jù)使用不同的加載命令 -
Data：數(shù)據(jù)中的每個(gè)段（Segment）的數(shù)據(jù)保存在這里绍傲，每個(gè)段有一個(gè)或多個(gè)部分，存放具體的數(shù)據(jù)耍共、代碼烫饼、符號表猎塞、動態(tài)符號表等
Header
Header中包含了整個(gè)Mach-O文件中的關(guān)鍵信息，可以使CPU快速知道整個(gè)Mach-O的基本信息枫弟，決定了一些基礎(chǔ)架構(gòu)邢享、系統(tǒng)類型鹏往、指令條數(shù)等信息淡诗。針對32位和64位架構(gòu)的cpu，分別使用了mach_header和mach_header_64結(jié)構(gòu)體來描述Mach-O頭部伊履，mach_header_64結(jié)構(gòu)體相比于mach_header只是多了一個(gè)reserved保留字段
/*
- magic：0xfeedface(32位) 0xfeedfacf(64位)韩容，系統(tǒng)內(nèi)核用來判斷是否是mach-o格式
- cputype：CPU類型，比如ARM
- cpusubtype：CPU的具體類型唐瀑，例如arm64群凶、armv7
- filetype：由于可執(zhí)行文件、目標(biāo)文件哄辣、靜態(tài)庫和動態(tài)庫等都是mach-o格式请梢，所以需要filetype來說明mach-o文件是屬于哪種文件
- ncmds：sizeofcmds：LoadCommands加載命令的條數(shù)（加載命令緊跟header之后）
- sizeofcmds：LoadCommands加載命令的大小
- flags：標(biāo)志位標(biāo)識二進(jìn)制文件支持的功能，主要是和系統(tǒng)加載力穗、鏈接有關(guān)
- reserved：保留字段
*/
struct mach_header_64 {
uint32_t magic; /* mach magic number identifier */
cpu_type_t cputype; /* cpu specifier */
cpu_subtype_t cpusubtype; /* machine specifier */
uint32_t filetype; /* type of file */
uint32_t ncmds; /* number of load commands */
uint32_t sizeofcmds; /* the size of all the load commands */
uint32_t flags; /* flags */
uint32_t reserved; /* reserved */
};
filetype主要記錄Mach-O的文件類型毅弧，常用的有以下幾種
#define MH_OBJECT 0x1 /* 目標(biāo)文件*/
#define MH_EXECUTE 0x2 /* 可執(zhí)行文件*/
#define MH_DYLIB 0x6 /* 動態(tài)庫*/
#define MH_DYLINKER 0x7 /* 動態(tài)鏈接器*/
#define MH_DSYM 0xa /* 存儲二進(jìn)制文件符號信息，用于debug分析*/
Load Commands
Load Commands主要用于加載指令当窗，例如動態(tài)鏈接器的位置够坐、程序的入口、依賴庫的信息崖面、代碼的位置元咙、符號表的位置等等。其大小和數(shù)目在Header中已確定巫员，在Mach.h中的定義如下
/*
load_command用于加載指令
- cmd 加載命令的類型
- cmdsize 加載命令的大小
*/
struct load_command {
uint32_t cmd; /* type of load command */
uint32_t cmdsize; /* total size of command in bytes */
};
其中LC_SEGMENT_64的類型segment_command_64定義如下
/*
segment_command 段加載命令
- cmd：表示加載命令類型庶香，
- cmdsize：表示加載命令大小（還包括了緊跟其后的nsects個(gè)section的大屑蚴丁）
- segname：16個(gè)字節(jié)的段名字
- vmaddr：段的虛擬內(nèi)存起始地址
- vmsize：段的虛擬內(nèi)存大小
- fileoff：段在文件中的偏移量
- filesize：段在文件中的大小
- maxprot：段頁面所需要的最高內(nèi)存保護(hù)（4 = r赶掖，2 = w，1 = x）
- initprot：段頁面初始的內(nèi)存保護(hù)
- nsects：段中section數(shù)量
- flags：其他雜項(xiàng)標(biāo)志位
- 從fileoff（偏移）處财异，取filesize字節(jié)的二進(jìn)制數(shù)據(jù)倘零，放到內(nèi)存的vmaddr處的vmsize字節(jié)。（fileoff處到filesize字節(jié)的二進(jìn)制數(shù)據(jù)戳寸，就是“段”）
- 每一個(gè)段的權(quán)限相同（或者說呈驶，編譯時(shí)候，編譯器把相同權(quán)限的數(shù)據(jù)放在一起疫鹊，成為段）袖瞻，其權(quán)限根據(jù)initprot初始化司致。initprot指定了如何通過讀/寫/執(zhí)行位初始化頁面的保護(hù)級別
- 段的保護(hù)設(shè)置可以動態(tài)改變，但是不能超過maxprot中指定的值（在iOS中聋迎，+x和+w是互斥的）
*/
struct segment_command_64 { /* for 64-bit architectures */
uint32_t cmd; /* LC_SEGMENT_64 */
uint32_t cmdsize; /* includes sizeof section_64 structs */
char segname[16]; /* segment name */
uint64_t vmaddr; /* memory address of this segment */
uint64_t vmsize; /* memory size of this segment */
uint64_t fileoff; /* file offset of this segment */
uint64_t filesize; /* amount to map from the file */
vm_prot_t maxprot; /* maximum VM protection */
vm_prot_t initprot; /* initial VM protection */
uint32_t nsects; /* number of sections in segment */
uint32_t flags; /* flags */
};
Data
Data主要用于存儲具體的只讀脂矫、可讀寫代碼，例如方法霉晕、符號表庭再、字符表、代碼數(shù)據(jù)牺堰、重定向/符號綁定等拄轻。其中大多數(shù)的Mach-O文件均包含以下三個(gè)段：
-
__TEXT：代碼段：只讀，包括函數(shù)和只讀字符串 -
__DATA：數(shù)據(jù)段：讀寫伟葫，可讀寫的全局變量等 -
__LINKEDIT：包含方法和變量的元數(shù)據(jù)（位置恨搓、偏移量），代碼簽名等信息
在Data區(qū)中筏养，section占很大比例斧抱，Section在Mach.h中是以結(jié)構(gòu)體section_64（在arm64架構(gòu)下）表示，其定義如下
/*
Section節(jié)在MachO中集中體現(xiàn)在TEXT和DATA兩段里.
- sectname：當(dāng)前section的名稱
- segname：section所在的segment名稱
- addr：內(nèi)存中起始位置
- size：section大小
- offset：section的文件偏移
- align：字節(jié)大小對齊
- reloff：重定位入口的文件偏移
- nreloc：重定位入口數(shù)量
- flags：標(biāo)志渐溶，section的類型和屬性
- reserved1：保留（用于偏移量或索引）
- reserved2：保留（用于count或sizeof）
- reserved3：保留
*/
struct section_64 { /* for 64-bit architectures */
char sectname[16]; /* name of this section */
char segname[16]; /* segment this section goes in */
uint64_t addr; /* memory address of this section */
uint64_t size; /* size in bytes of this section */
uint32_t offset; /* file offset of this section */
uint32_t align; /* section alignment (power of 2) */
uint32_t reloff; /* file offset of relocation entries */
uint32_t nreloc; /* number of relocation entries */
uint32_t flags; /* flags (section type and attributes)*/
uint32_t reserved1; /* reserved (for offset or index) */
uint32_t reserved2; /* reserved (for count or sizeof) */
uint32_t reserved3; /* reserved */
};
3辉浦、優(yōu)化建議
啟動的過程一般是指點(diǎn)擊App圖標(biāo)開始到AppDelegate 的didFinishLaunching
-
冷啟動：內(nèi)存中不包含App相關(guān)數(shù)據(jù)，一般可以通過重啟手機(jī)來實(shí)現(xiàn)冷啟動 -
熱啟動：殺掉App進(jìn)程后掌猛，數(shù)據(jù)依然存在內(nèi)存中時(shí)啟動
啟動優(yōu)化一般指在冷啟動情況下主要分為兩部分：
-
main函數(shù)開始之前（pre-main）： 操作系統(tǒng)加載App可執(zhí)行文件到內(nèi)存盏浙，執(zhí)行一系列的加載和鏈接操作，也就是dyld加載過程 -
main函數(shù)開始：從main函數(shù)開始到AppDelegate 的didFinishLaunching方法執(zhí)行為止荔茬，加載渲染第一個(gè)界面
main函數(shù)之前
在之前的文章已經(jīng)了解過dyld加載流程
我們可以通過Edit Scheme -> Run -> Arguments ->Environment Variables->點(diǎn)擊+添加環(huán)境變量DYLD_PRINT_STATISTICS == 1
上圖中pre-main階段總共用時(shí)1.7s
dylib loading：動態(tài)庫加載耗時(shí)-
rebase/binding：偏移修正和符號綁定-
rebase：每個(gè)app的二進(jìn)制文件內(nèi)部的方法废膘、函數(shù)調(diào)用，都有一個(gè)偏移地址,每次app啟動慕蔚，系統(tǒng)會分配一個(gè)ALSR新啼，例如韩脑，二進(jìn)制文件中有一個(gè) test方法，偏移值是0x0001，而隨機(jī)分配的ASLR是0x1f00虐沥，如果想訪問test方法灵份，其內(nèi)存地址（即真實(shí)地址）變?yōu)?ASLR+偏移值 = 運(yùn)行時(shí)確定的內(nèi)存地址（即0x1f00+0x0001 = 0x1f01） -
binding：綁定就是給符號賦值的過程扬跋。方法脆栋、函數(shù)在編譯時(shí)期會創(chuàng)建一個(gè)對應(yīng)的符號指向一個(gè)隨機(jī)地址，在運(yùn)行時(shí)（磁盤加載到內(nèi)存中鸠匀，是一個(gè)鏡像文件）蕉斜，會將真正的內(nèi)存地址和符號進(jìn)行綁定(即dyld將內(nèi)存地址和符號綁定，也稱動態(tài)庫符號綁定)
-
Objc setup：oc類注冊的耗時(shí)，類越多宅此，耗時(shí)越長机错，swift沒有這個(gè)initializer：執(zhí)行l(wèi)oad和構(gòu)造函數(shù)的耗時(shí)
優(yōu)化
少用外部動態(tài)庫，蘋果官方建議自定義動態(tài)庫數(shù)量不要超過6個(gè)父腕，如果超過需要進(jìn)行動態(tài)庫合并減少OC類使用
將不必須在
+load方法中做的事情延遲到+initialize中弱匪，盡量不要用C++虛函數(shù)如果是
swift，盡量使用struct
main函數(shù)開始后
減少啟動初始化的流程：能懶加載的懶加載璧亮，能延遲的延遲萧诫，能放后臺初始化的放后臺，盡量不要占用主線程的啟動時(shí)間優(yōu)化代碼邏輯杜顺，去除非必要的代碼邏輯
啟動階段能使用
多線程來初始化的财搁，就使用多線程主UI框架盡量使用
純代碼構(gòu)建刪除廢棄的類和方法
