由App的启动说起

2015-06-01


The two most important days in your life are the day you are born and the day you find out why.

– Mark Twain



“你是谁?从哪里来?到哪里去?”,这三个富有哲学气息的问题,是每一个人在不断解答的问题。我们Code,Build,Run,一个活生生的App跃然方寸屏上,这一切是如何发生的?从用户点击App到执行main函数这短短的瞬间发生了多少事呢?探寻App的启动新生,可以帮助我们更了解App开发本身。

下图是App启动流程的关键节点展示:

App启动流程

下面我们就来一一解读。



1. App文件的组成


在详细研究启动流程之前,首先我们需要了解下iOS/OSX的App执行文件

一个应用,通常都是经过“编译-》链接-》打包”几个步骤之后,生成一个可在某平台上运行应用。应用文件在不同的平台上以不同的格式存在,如Windows上的exe,Android上的pkg,以及我们接下来要说的ipa。

iOS系统是由OS X发展而来,而OS X是由NeXTSTEP与Mac OS Classic的融合。因此iOS/OS X系统很多的特性都是源于NeXTSTEP系统,如Objective-C、Cocoa、Mach、XCode等,其中还有应用/库的组成——Bundle。Bundle的官方解释是a standardized hierarchical structure that holds executable code and the resources used by that code.,也就是包含执行代码和相关资源的标准层次结构;可以简单地理解为包(Package)。

OS X应用和iOS应用两者的bundle结构有些许差别,OS X的应用程序的层次结构比较规范,而iOS的App则相对来说比较散乱,而且与OS不同的是,iOS只有Apple原生的应用才会在/Applications目录下,从App Store上购买的应用会安装在/var/mobile/Applications目录下;OSX的应用不再本文讨论范围之内,所以我们先来看看iOS的App Bundle的层次结构:

128-bit GUID/
		xxxx.app/
		Documents/
		iTunesArtwork
		iTunesMetaData.plist
		Library/
		tmp/

其中xxx.app就是我们的app应用程序,主要包含了执行文件(xxx.app/xxx, xxx为应用名称)、NIB和图片等资源文件。接下来就主要看看本节的主角:** Mach-O **


1.1 Universal Binary

大部分情况下,xxx.app/xxx文件并不是Mach-O格式文件,由于现在需要支持不同CPU架构的iOS设备,所以我们编译打包出来的执行文件是一个Universal Binary格式文件(通用二进制文件,也称胖二进制文件),其实Universal Binary只不过将支持不同架构的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;

Fat Header的数据结构在<mach-o/fat.h>头文件上有定义:

#define FAT_MAGIC	0xcafebabe
#define FAT_CIGAM	0xbebafeca	/* NXSwapLong(FAT_MAGIC) */

struct fat_header {
	uint32_t	magic;		/* FAT_MAGIC */
	uint32_t	nfat_arch;	/* number of structs that follow */
};

struct fat_arch {
	cpu_type_t	cputype;	/* cpu specifier (int) */
	cpu_subtype_t	cpusubtype;	/* machine specifier (int) */
	uint32_t	offset;		/* file offset to this object file */
	uint32_t	size;		/* size of this object file */
	uint32_t	align;		/* alignment as a power of 2 */
};

结构struct fat_header

  • 1). magic字段就是我们常说的魔数(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样的文件,胖二进制文件的魔数值是0xcafebabe;
  • 2). nfat_arch字段是指当前的胖二进制文件包含了多少个不同架构的Mach-O文件;

fat_header后会跟着fat_arch,有多少个不同架构的Mach-O文件,就有多少个fat_arch,用于说明对应Mach-O文件大小、支持的CPU架构、偏移地址等;

可以用file命令来查看下执行文件的信息,如新浪微博:

file查看新浪微博

ps:上述说“大部分情况”是因为还有一部分,由于业务比较复杂,代码量巨大,如果支持多种CPU架构而打包多个Mach-O文件的话,会导致ipa包变得非常大,所以就并没有支持新的CPU架构的。如QQ和微信:

file查看QQ

ps:QQ V5.5.1版本单个Mach-O文件大小为51M


1.2 Mach-O

虽然iOS/OS X采用了类UNIX的Darwin操作系统核心,完全符合UNIX标准系统,但在执行文件上,却没有支持UNIX的ELF,而是维护了一个独有的二进制可执行文件格式:Mach-Object(简写Mach-O)。Mach-O是NeXTSTEP的遗产,其文件格式如下:

Mach-O

由上图,我们可以看到Mach-O文件主要包含一下三个数据区:
(1). 头部Header:在<mach-o/loader.h>头文件定义了Mach-O Header的数据结构:

/*
 * The 32-bit mach header appears at the very beginning of the object file for
 * 32-bit architectures.
 */
struct mach_header {
	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 */
};

/* Constant for the magic field of the mach_header (32-bit architectures) */
#define	MH_MAGIC	0xfeedface	/* the mach magic number */
#define MH_CIGAM	0xcefaedfe	/* NXSwapInt(MH_MAGIC) */

以上引用代码是32位的文件头数据结构,<mach-o/loader.h>头文件还定义了64位的文件头数据结构mach_header_64,两者基本没有差别,mach_header_64多了一个额外的预留字段uint32_t reserved;,该字段目前没有使用。需要注意的是,64位的Mach-O文件的魔数值为#define MH_MAGIC_64 0xfeedfacf


(2). 加载命令 Load Commends

在mach_header之后的是加载命令,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;Load Commend的数据结构如下:

struct load_command {
	uint32_t cmd;		/* type of load command */
	uint32_t cmdsize;	/* total size of command in bytes */
};

OS X/iOS发展到今天,已经有40多条加载命令,其中部分是由内核加载器直接使用,而其他则是由动态链接器处理。其中几个主要的Load Commend为LC_SEGMENT, LC_LOAD_DYLINKER, LC_UNIXTHREAD, LC_MAIN等,这里不详细介绍,在<mach-o/loader.h>头文件有简单的注释,后续内核还会涉及。

  • ps: otool是查看操作Mach-O文件的工具,类似于UNIX下的ldd或readelf工具。
  • MachOView是查看Mach-O文件的可视化工具。


(3). 原始段数据 Raw segment data

原始段数据,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:

  • 1). __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;
  • 2). __TEXT: 包含了执行代码以及其他只读数据。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;
  • 3). __DATA: 包含了程序数据,该段可写;
  • 4). __OBJC: Objective-C运行时支持库;
  • 5). __LINKEDIT: 链接器使用的符号以及其他表

一般的段又会按不同的功能划分为几个区(section),标识段-区的表示方法为(__SEGMENT.__section),即段所有字母大小,加两个下横线作为前缀,而区则为小写,同样加两个下横线作为前缀;更多关于常见section的解析,请查看 https://developer.apple.com/library/mac/documentation/DeveloperTools/Conceptual/MachORuntime/



2. 内核Kernel


了解了App执行文件之后,我们从源码来看看,App经过了什么样的内核调用流程之后,来到了主程序入口main()。


2.1 XNU开源代码

虽然内核XNU是开源的,但只限于OS X, iOS的XNU内核一直是封闭的,但从历史角度来说,iOS是OS X的分支,两者比较大的区别就是支持的目标架构不一样(iOS目标架构为ARM,而不是OS X的Intel i386和x86_64),内存管理以及系统安全限制;而执行文件都是Mach-O。所以,本文预设两者在App启动执行这方面并没有太大差别。

本文参考的XNU版本为v2782.1.97;


2.2 内核调用流程

可执行文件的内核流程如下图:

启动进程的流程

引用自《Mac OS X and iOS Internals : To the Apple’s Core》P555

上述流程对应到源代码的调用树为:

ps: 由于源代码较多,篇幅所限,只引用关键性的代码,并有简单的注释,本人注释以oncenote为前缀.

// oncenote: /bsd/kern/ker_exec.c  line: 2615
execve(proc_t p, struct execve_args *uap, int32_t *retval) 
{
	__mac_execve(proc_t p, struct __mac_execve_args *uap, int32_t *retval)
	{// oncenote: /bsd/kern/ker_exec.c  line: 2654	
		// oncenote: /bsd/kern/ker_exec.c  line: 2735
		// 加载执行文件镜像并设置环境
		exec_activate_image(struct image_params *imgp)
		{
			// oncenote: /bsd/kern/kern_exec.c  line: 1328
			// 遍历execsw执行格式,执行对应的ex_imgact函数
			for(i = 0; error == -1 && execsw[i].ex_imgact != NULL; i++) {
				// 1.对于Mach-o Binary,执行exec_mach_imgact
				// 2.对于Fat Binary,执行exec_fat_imgact
				// 3.对于Interpreter Script,执行exec_shell_imgact
				// 由于只支持Mach-O这种执行格式,所以exec_fat_imgact和exec_shell_imgact最终都会调到exec_mach_imgact
				// 返回错误码0,则表示mach file被正确加载处理;只有exec_mach_imgact会返回0
				error = (*execsw[i].ex_imgact)(imgp); 
				
				// oncenote: 对于Mach-o,执行(*execsw[i].ex_imgact)(imgp) = exec_mach_imgact(imgp)
				exec_mach_imgact(struct image_params *imgp)
				{
					// oncenote: /bsd/kern/kern_exec.c  line: 893
					load_machfile(struct image_params *imgp, ...) 
					{// oncenote: /bsd/kern/mach_loader.c  line: 287
					
						// oncenote: oncenote: /bsd/kern/mach_loader.c  line: 336
						// 设置内存映射
						if (create_map) {
							vm_map_create();
						}
						
						// oncenote: /bsd/kern/mach_loader.c  line: 373
						// 设置地址空间布局随机数
						if (!(imgp->ip_flags & IMGPF_DISABLE_ASLR)) {
							aslr_offset = random();
						}
						
						// oncenote: /bsd/kern/mach_loader.c  line: 392
						parse_machfile(struct vnode *vp, ..., load_result_t *result)
						{
							// oncenote: 递归深度解析mach file, 在2.3中详细讲解
						}
						
					}
					
					// oncenote: /bsd/kern/kern_exec.c line: 973
					if (load_result.unixproc) {
						/* Set the stack */ //oncenote
						thread_setuserstack(thread, ap);
					}
					
					// oncenote: /bsd/kern/kern_exec.c line: 1014
					// 设置入口点(寄存器状态来自LC_UNIXTHREAD)
					/* Set the entry point */
					thread_setentrypoint(thread, load_result.entry_point);
					
					
					/* Stop profiling */
					stopprofclock(p);
				
					/*
					 * Reset signal state.
					 */
					execsigs(p, thread);
					
					...
				}
				
			}
		}
	}
	
}

由于篇幅所限,本文就不对源码进行展开讲解。通过上述的调用树,App启动在内核中的大概流程已非常清晰,如想更深入研究,请下载源代码,并辅以文末参考资料,进行阅读;


2.3 加载并解析Mach-O文件

前一节描述了可执行文件的执行流程,本节探讨下,内核是如何加载解析Mach-O文件的。

函数load_machfile() 加载Mach-O文件,然后调用函数parse_machfile()解析Mach-O文件。函数load_machfile() 本身并没有太复杂的逻辑,因此parse_machfile()函数是加载解析Mach-O文件的核心逻辑。在阅读具体代码观察解析流程之前,先明确下parse_machfile()三个特别的逻辑:

  • 首先,parse_machfile()是递归解析的,最初的递归深度为0,最高深度到6,防止无限递归。使用递归解析,主要是将不同Mach-O文件类型按照依赖关系,分前后进行解析。如解析可执行二进制文件类型(MH_EXECUTABLE)的Mach-O文件需要调用load_dylinker来处理加载命令LC_LOAD_DYLINKER,而动态链接器也是Mach-O文件,所以就需要递归到不同的深度进行解析;

  • 其次,parse_machfile()的每一次递归,在解析加载命令时,会将内核需要解析的加载命令按照加载循序划分为三组进行解析,在代码的体现上就是通过三次循环,每趟循环只关注当前趟需要解析的命令: (1):解析线程状态,UUID和代码签名。相关命令为LC_UNIXTHREAD、LC_MAIN、LC_UUID、LC_CODE_SIGNATURE (2):解析代码段Segment。相关命令为LC_SEGMENT、LC_SEGMENT_64; (3):解析动态链接库、加密信息。相关命令为:LC_ENCRYPTION_INFO、LC_ENCRYPTION_INFO_64、LC_LOAD_DYLINKER

  • 最后,关于Mach-O的入口点。解析完可执行二进制文件类型的Mach-O文件(假设为A)之后,我们会得到A的入口点;但线程并不立刻进入到这个入口点。这是由于我们还会加载动态链接器(dyld),在load_dylinker()中,dyld会保存A的入口点,递归调用parse_machfile()之后,将线程的入口点设为dyld的入口点;动态链接器dyld完成加载库的工作之后,再将入口点设回A的入口点,程序启动完成;

理解了上述逻辑之后,我们通过源代码最直观地探索解析流程:

// oncenote: oncenote: /bsd/kern/mach_loader.c  line: 483
static
load_return_t
parse_machfile(
	struct vnode 		*vp,       
	vm_map_t		map,
	thread_t		thread,
	struct mach_header	*header,
	off_t			file_offset,
	off_t			macho_size,
	int			depth,
	int64_t			aslr_offset,
	int64_t			dyld_aslr_offset,
	load_result_t		*result
)
{
	/*
	 *	Break infinite recursion
	 */
	//oncenote: 最大深度6的控制
	if (depth > 6) {
		return(LOAD_FAILURE);
	}

	depth++;

	//oncenote: 不同的深度解析不同的Mach-o文件类型,
	//如可执行二进制文件类型MH_EXECUTE,只在第一次深度,因此不存在MH_EXECUTE依赖MH_EXECUTE的情况
	switch (header->filetype) {
	
	case MH_OBJECT:
	case MH_EXECUTE:
	case MH_PRELOAD:
		if (depth != 1) {
			return (LOAD_FAILURE);
		}
		break;
		
	case MH_FVMLIB:
	case MH_DYLIB:
		if (depth == 1) {
			return (LOAD_FAILURE);
		}
		break;

	case MH_DYLINKER:
		if (depth != 2) {
			return (LOAD_FAILURE);
		}
		break;
		
	default:
		return (LOAD_FAILURE);
	}



	// ...
	//oncenote: 将所有的加载命令都映射到内核内存中,准备解析
	/*
	 * Map the load commands into kernel memory.
	 */
	addr = 0;
	kl_size = size;
	kl_addr = kalloc(size);
	addr = (caddr_t)kl_addr;
	if (addr == NULL)
		return(LOAD_NOSPACE);

	error = vn_rdwr(UIO_READ, vp, addr, size, file_offset,
	    UIO_SYSSPACE, 0, kauth_cred_get(), &resid, p);


	// ...
	//nocenote: 开始解析加载命令(Load Command),分三趟进行解析
	/*
	 *  Scan through the commands, processing each one as necessary.
	 *  We parse in three passes through the headers:
	 *  1: thread state, uuid, code signature
	 *  2: segments
	 *  3: dyld, encryption, check entry point
	 */
	
	for (pass = 1; pass <= 3; pass++) {

		
		/*
		 * Check that the entry point is contained in an executable segments
		 */ 
		if ((pass == 3) && (result->validentry == 0)) {
			thread_state_initialize(thread);
			ret = LOAD_FAILURE;
			break;
		}

		/*
		 * Loop through each of the load_commands indicated by the
		 * Mach-O header; if an absurd value is provided, we just
		 * run off the end of the reserved section by incrementing
		 * the offset too far, so we are implicitly fail-safe.
		 */
		offset = mach_header_sz;
		ncmds = header->ncmds;

		while (ncmds--) {

			/*
			 *	Get a pointer to the command.
			 */
			lcp = (struct load_command *)(addr + offset);
			oldoffset = offset;
			offset += lcp->cmdsize;

			switch(lcp->cmd) {

			case LC_SEGMENT:
				if (pass != 2) //oncenote: 第二趟进行解析
					break;

				ret = load_segment(lcp, header->filetype, control, file_offset, macho_size, vp, map, slide, result);
				break;

			case LC_SEGMENT_64:
				//oncenote: 与命令LC_SEGMENT相同
				break;


			case LC_UNIXTHREAD:
				if (pass != 1)
					break;
				//oncenote: load_unixthread() 依次调用load_threadstack()、load_threadentry()和load_threadstate()
				//oncenote: 启动一个unix线程,加载线程的初始化状态,并载入入口点
				ret = load_unixthread((struct thread_command *) lcp, thread, slide, result);
				break;

			case LC_MAIN:
				if (pass != 1)
					break;
				if (depth != 1)
					break;
				//oncenote: 代替LC_UNIXTHREAD,与LC_UNIXTHREAD类似
				ret = load_main((struct entry_point_command *) lcp, thread, slide, result);
				break;

			case LC_LOAD_DYLINKER:
				if (pass != 3)
					break;

				//在第一次深度的递归调用,解析到LC_LOAD_DYLINKER,设置dlp,用于后续加载动态链接库
				if ((depth == 1) && (dlp == 0)) {
					dlp = (struct dylinker_command *)lcp;
					dlarchbits = (header->cputype & CPU_ARCH_MASK);
				} else {
					ret = LOAD_FAILURE;
				}
				break;

			case LC_UUID:   //oncenote: 省略
				break;

			case LC_CODE_SIGNATURE:   //oncenote: 省略
				break;
#if CONFIG_CODE_DECRYPTION
			case LC_ENCRYPTION_INFO:    //oncenote: 省略
			case LC_ENCRYPTION_INFO_64:
				break;
#endif
			default:
				//内核不处理其他命令,其他命令交由动态链接器dyld来处理
				/* Other commands are ignored by the kernel */
				ret = LOAD_SUCCESS;
				break;
			}
			if (ret != LOAD_SUCCESS)
				break;
		}
		if (ret != LOAD_SUCCESS)
			break;
	}


	//oncenote: 前面解析命令操作成功,加载动态链接器
	if (ret == LOAD_SUCCESS) { 

		if ((ret == LOAD_SUCCESS) && (dlp != 0)) {
			/*
		 	* load the dylinker, and slide it by the independent DYLD ASLR
		 	* offset regardless of the PIE-ness of the main binary.
		 	*/
			ret = load_dylinker(dlp, dlarchbits, map, thread, depth, dyld_aslr_offset, result);
		}
	}


	// ...

	return(ret);
}

再来看load_dylinker()的代码:

static load_return_t
load_dylinker(
	struct dylinker_command	*lcp,
	integer_t		archbits,
	vm_map_t		map,
	thread_t	thread,
	int			depth,
	int64_t			slide,
	load_result_t		*result
)
{
 
 	//oncenote: 获取dyld vnode
	ret = get_macho_vnode(name, archbits, header,
	    &file_offset, &macho_size, macho_data, &vp);
	if (ret)
		goto novp_out;

	*myresult = load_result_null;

	/*
	 *	First try to map dyld in directly.  This should work most of
	 *	the time since there shouldn't normally be something already
	 *	mapped to its address.
	 */
	//oncenote: 递归调用parse_machfile()解析dyld
	ret = parse_machfile(vp, map, thread, header, file_offset,
	                     macho_size, depth, slide, 0, myresult);

	// ...


	if (ret == LOAD_SUCCESS) {
		//oncenote: 解析成功,设置线程入口为dyld的入口,dyld开始加载共享库
		result->dynlinker = TRUE;
		result->entry_point = myresult->entry_point;
		result->validentry = myresult->validentry;
		result->all_image_info_addr = myresult->all_image_info_addr;
		result->all_image_info_size = myresult->all_image_info_size;
		if (myresult->platform_binary) {
			result->csflags |= CS_DYLD_PLATFORM;
		}
	}


	// ...

	return (ret);
}



3. 总结


之前对App流程有个大体的概念,但于细节并不甚清楚,耗时1个多月,边学边复习边写文章,终于在出行旅游前完成。原计划是准备在第三段讲解下动态链接器dyld加载共享库的流程的,但限于本文篇幅实在太长,所以新起一篇文章来写会好一点。

关于App启动流程还有许多细节,如代码签名验证、虚存映射、iOS的触屏应用加载器SpringBoard如何进行切换应用等,本文并未涉及到,有兴趣的同学可以继续深入研究。



参考资料:

  1. 《Mac OS X Internals: A Systems Approach》
  2. 《Mac OS X and iOS Internals : To the Apple’s Core》
  3. XNU源代码
  4. The App Launch Sequence on iOS
  5. Mach-O Programming Topics
  6. DYLD Detailed




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