由App的启动说起（转）

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

-- Mark Twain

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转自 Jaminzzhang的博客
“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：

下面我们就来一一解读。

1. App文件的组成

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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：

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：

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：

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

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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：

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

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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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