Mach-O在内存中符号表地址字符串表地址的计算

Posted 2020-11-14 xjshi

KSCrash 是一个用于 ios 平台的崩溃捕捉框架，最近读了其部分源码，在 KSDynamicLinker 文件中有一个函数，代码如下：

/** Get the segment base address of the specified image.
 *
 * This is required for any symtab command offsets.
 *
 * @param idx The image index.
 * @return The image's base address, or 0 if none was found.
 */
static uintptr_t segmentBaseOfImageIndex(const uint32_t idx)
{
    const struct mach_header* header = _dyld_get_image_header(idx);
    
    // Look for a segment command and return the file image address.
    uintptr_t cmdPtr = firstCmdAfterHeader(header);
    if(cmdPtr == 0)
    {
        return 0;
    }
    for(uint32_t i = 0;i < header->ncmds; i++)
    {
        const struct load_command* loadCmd = (struct load_command*)cmdPtr;
        if(loadCmd->cmd == LC_SEGMENT)
        {
            const struct segment_command* segmentCmd = (struct segment_command*)cmdPtr;
            if(strcmp(segmentCmd->segname, SEG_LINKEDIT) == 0)
            {
                return segmentCmd->vmaddr - segmentCmd->fileoff;
            }
        }
        else if(loadCmd->cmd == LC_SEGMENT_64)
        {
            const struct segment_command_64* segmentCmd = (struct segment_command_64*)cmdPtr;
            if(strcmp(segmentCmd->segname, SEG_LINKEDIT) == 0)
            {
                return (uintptr_t)(segmentCmd->vmaddr - segmentCmd->fileoff);
            }
        }
        cmdPtr += loadCmd->cmdsize;
    }
    
    return 0;
}

该函数被如此调用：

const uintptr_t segmentBase = segmentBaseOfImageIndex(idx) + imageVMAddrSlide;

0 迷惑现场

一个 image 中会有多个 segment，参数 idx 传递的是 image 的索引，如果返回的是 segment base， 那么是哪个 segment？

有人会说，注释里不是说返回非 0 的话，就表示的是 image base。可是从原理上讲 vmaddr - fileoff 根本得不到 image base（后文有解释）。

而在被调用处，加上由 ASLR 引起的偏移，赋值给了 segmentBase。

在 fishhook 中，有这么一行代码：

uintptr_t linkedit_base = (uintptr_t)slide + linkedit_segment->vmaddr - linkedit_segment->fileoff;

暂不考虑由 ASLR 造成的 slide，那么又是上边提到的 vmaddr - fileoff，这里的变量命名是 linkedit_base。

KSCrash 中的所谓的 segmentBase 和 fishhook 中所谓的 linkedit_base，到底指的是什么？如果指的是 __LINKEDIT 端在内存中的真实地址那应该是 vmaddr + ASLR偏移 才对。

在查找资料的过程中，读了大量的博客、资料，对于这一块的解释，要么没提，要么一带而过，要么是错的。有的认为这个值是__LINKEDIT 段在内存中的基址，有的认为是当前 image 在内存中的基址。

1 揭开面纱

1.1 前置知识

在理解这个值到底是什么之前，我们需要一些前置知识。

• Mach-O 文件的结构
• 虚拟内存
• ASLR

下边我们简单的说一下 Mach-O 文件。

Mach-O

我们知道，进程是可执行文件在内存中加载得到的结果，而 Mach-O 就是一种 macOS 平台的可执行文件格式。

Mach-O 文件分为三个区域 Header、Load commands、Data。其中 Load commands 区的指令指导如何设置并加载二进制数据。下边列出 32 位平台下我们关心的几个：

指令	对应的数据结构	描述
LC_SEGMENT	segment_command	定义了这个文件中的一个 segment，在 Mach-O 文件被加载到时，这个 segment 会被映射到对应的地址空间。需要留意，segment_command 中有一个 segname，可通过 segname 来查找指定的 segment。
LC_SYMTAB	symtab_command	指定了这个文件的符号表。symtab_command 中包含符号表在文件中的偏移、符号数量、字符串表在文件中的偏移、字符串表的大小。

segment_command 代码如下：

struct segment_command { /* for 32-bit architectures */
    uint32_t    cmd;        /* LC_SEGMENT */
    uint32_t    cmdsize;    /* includes sizeof section structs */
    char        segname[16];    /* segment name */
    uint32_t    vmaddr;     /* memory address of this segment */
    uint32_t    vmsize;     /* memory size of this segment */
    uint32_t    fileoff;    /* file offset of this segment */
    uint32_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 */
};

对于每一个 segment 而言，设置进程虚拟内存的过程就是将相应的内容加载到内存中，也就是从 Mach-O 文件的 fileoff 初加载 filesize 字节到虚拟内存地址的 vmaddr 处，占用 vmsize 字节。**需要留意，对某些 segment 来说，vmsize 可能会大于 filesize，如__Data、__LINKEDIT。**

在后边的讨论中，我们需要关心的是 segname 为 __LINKEDIT 的段。__LINKEDIT 段由 dyld 使用，包含符号表、字符串表以及其他数据。

symtab_command 代码如下：

struct symtab_command {
    uint32_t    cmd;        /* LC_SYMTAB */
    uint32_t    cmdsize;    /* sizeof(struct symtab_command) */
    uint32_t    symoff;     /* symbol table offset */
    uint32_t    nsyms;      /* number of symbol table entries */
    uint32_t    stroff;     /* string table offset */
    uint32_t    strsize;    /* string table size in bytes */
};

在 symtab_command 中，symoff 为符号表在 Mach-O 文件中的偏移、stroff 为字符串表在 Mach-O 文件中的偏移。

1.2 揭秘

我们可以使用 MachOView 来打开一个 Mach-O 文件，观察 LC_SEGMENT(__LINKEDIT)、LC_SYMTAB。限于篇幅，这里就不截图观察了。但是你应当留意到符号表、字符串表在 Mach-O 文件的位置，位于 __LINKEDIT 段中，这也验证了上边对 __LINKEDIT 段的介绍。

我们从符号表在虚拟内存中的地址来倒推上边那个所谓的 segmentBase、linkedit_base，看一张图（不是很准确，但可以帮助我们搞明白这个问题）。

我们先忽略 ASLR，图中的深灰色背景表示是虚拟内存，__TEXT 段、__DATA 段我们不关心，图中没有体现。

sym_vmaddr 是指的是符号表在虚拟内存中地址，而在虚拟内存中符号表在 __LINKEDIT 段中偏移，即 sym_vmaddr - vmaddr，与其在 MachO 文件中的偏移，即 symoff - fileoff 相等。

也就是sym_vmaddr - vmaddr = symoff - fileoff，
vmaddr 移到右边，即 sym_vmaddr = symoff - fileoff + vmaddr

发现什么了吗？

接着上边推：
减去符号表偏移symoff：sym_vmaddr - symoff = vmaddr - fileoff（式1），
式 1 等号右边的部分加上 ASLR 偏移 slide：vmaddr - fileoff + slide，也就是所谓的 segmentBase、linkedit_base。

至此，真相大白。

参考

• 深入解析Mac OS X & iOS操作系统

• 深入理解计算机系统

• Mach-O File Format