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Mach-O：Apple生态下独具特色的可执行文件格式详解

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Mach-O简介

Mach-O文件格式于1994年由NeXTSTEP系统引入。它建立在Mach内核之上，Mach内核是一个微内核，为应用程序提供基本服务，如进程管理、内存管理和消息传递。Mach-O文件格式的设计初衷是支持动态链接，这是一种将代码和数据从可执行文件加载到内存的技术，而无需在编译时将其静态链接。这使得应用程序更容易更新和维护，并且减少了磁盘空间的使用。

Mach-O文件结构

Mach-O文件由一个或多个称为“load command”的命令组成。这些命令提供有关文件内容的信息，例如代码段、数据段和符号表的位置。Mach-O文件还包含一个称为“Mach header”的特殊部分，其中包含有关文件类型、子系统和入口点的信息。

Mach-O文件结构大致可分为以下几个部分：

  • Mach header ：包含有关文件类型、子系统和入口点的信息。
  • Load commands ：提供有关文件内容的信息，例如代码段、数据段和符号表的位置。
  • Segment commands ：定义Mach-O文件的段。段是Mach-O文件中的逻辑分区，可以包含代码、数据或元数据。
  • Section commands ：定义段中的节。节是段内的逻辑分区，可以包含代码、数据或元数据。
  • Symbol table ：包含文件中的符号信息。符号是标识符，可以是函数、变量或数据结构的名称。
  • String table ：包含文件中的字符串信息。字符串是符号名称、段名称和节名称等文本数据。
  • Relocation table ：包含有关如何将代码和数据重新定位到内存中的信息。当应用程序加载到内存时，需要将代码和数据从文件中的地址重新定位到内存中的地址。

Mach-O文件类型

Mach-O文件有三种主要类型：

  • 可执行文件 ：包含可执行代码和数据。当应用程序启动时，操作系统将可执行文件加载到内存并开始执行代码。
  • 动态链接库（DYLIB） ：包含可由多个应用程序共享的代码和数据。DYLIB在应用程序运行时加载到内存。
  • 内核扩展（KEXT） ：包含内核扩展代码。内核扩展是加载到内核中的代码，可以扩展内核的功能。

使用命令行工具操作Mach-O文件

可以使用命令行工具来操作Mach-O文件。最常用的命令行工具是“otool”。otool可以用来查看Mach-O文件的头信息、加载命令、段、节和符号表。

otool -t my_program

上面的命令将打印出my_program的符号表。

otool -L my_program

上面的命令将打印出my_program的加载命令。

还可以使用命令行工具“lipo”来合并Mach-O文件。lipo可以将多个Mach-O文件合并成一个通用二进制文件，该文件可以在不同的处理器架构上运行。

lipo -create file1.macho file2.macho -output universal_binary

上面的命令将file1.macho和file2.macho合并成一个名为universal_binary的通用二进制文件。

结论

Mach-O文件格式是一种用于Apple生态系统中存储可执行文件和共享库的对象文件格式。它最初专为macOS设计，但后来也扩展到iOS、iPadOS、tvOS和watchOS。Mach-O文件格式的设计初衷是支持动态链接，这是一种将代码和数据从可执行文件加载到内存的技术，而无需在编译时将其静态链接。这使得应用程序更容易更新和维护，并且减少了磁盘空间的使用。