iOS性能优化(3)-启动优化2

• dyld简介

• 共享缓存机制
• 1. dyld_cache_extract提取
• 2. jtool提取
• 3. dsc_extractor提取

• dyld加载过程

• 设置运行环境:这一步主要是设置运行参数、环境变量等。
• 加载共享缓存:将默认的库加载到进程中。
• 实例化主程序:判断Mach-O文件的兼容性，如果兼容性满足,这一步将主程序的Mach-O加载进内存，并实例化一个ImageLoader。
• 加载插入的动态库:这一步是加载环境变量DYLD_INSERT_LIBRARIES中配置的动态库
• 链接主程序:
  1. 根据LC_LOAD_DYLIB加载命令把所有依赖库加载进内存。
  2. 递归刷新依赖库的层级。
  3.由于ASLR的存在，必须递归对主程序以及依赖库进行重定位操作。
  4.把主程序二进制和依赖进来的动态库全部执行符号表绑定。
  5.如果链接的不是主程序二进制的话，会在此时执行弱符号绑定，主程序二进制则在link()完后再执行弱符号绑定，后面会进行分析。
• 链接插入的动态库:这一步与链接主程序一样，将前面调用addImage()函数保存在sAllImages中的动态库列表循环取出并调用link()进行链接。
• 执行弱符号绑定
• 执行初始化方法
• 查找入口点并返回

一.dyld简介

dyld（the dynamic link editor）是苹果的动态链接器，是苹果操作系统一个重要组成部分，在系统内核做好程序准备工作之后，交由dyld负责余下的工作。而且它是开源的，任何人可以通过苹果官网下载它的源码来阅读理解它的运作方式，了解系统加载动态库的细节。

dyld下载地址：http://opensource.apple.com/tarballs/dyld。笔者下载的是519.2.2版本。

二. 共享缓存机制

在iOS系统中，每个程序依赖的动态库都需要通过dyld（位于/usr/lib/dyld）一个一个加载到内存，然而，很多系统库几乎是每个程序都会用到的，如果在每个程序运行的时候都重复的去加载一次，势必造成运行缓慢，为了优化启动速度和提高程序性能，共享缓存机制就应运而生。所有默认的动态链接库被合并成一个大的缓存文件，放到/System/Library/Caches/com.apple.dyld/目录下，按不同的架构保存分别保存着，笔者的iPhone6里面就有dyld_shared_cache_armv7s和dyld_shared_cache_armv64两个文件，如下图所示。

dyld_shared_cache文件

想要分析某个系统库，就需要从dyld_shared_cache里先将的原始二进制文件提取出来，这里从易到难提供3种方法：

1. dyld_cache_extract提取

dyld_cache_extract（https://github.com/macmade/dyld_cache_extract）是一个可视化的工具，使用极其简单，把dyld_shared_cache载入即可解析出来，如下图所示。

dyld_cache_extract解析

2. jtool提取

以提取CFNetwork为例，使用如下命令即可：

$ jtool -extract CFNetwork  ./dyld_shared_cache_arm64
Extracting  /System/Library/Frameworks/CFNetwork.framework/CFNetwork at 0x147a000  into dyld_shared_cache_arm64.CFNetwork

3. dsc_extractor提取

在dyld源代码的launch-cache文件夹里面找到dsc_extractor.cpp，将653行的“#if 0”修改为“#if 1”,然后用如下命令编译生成dsc_extractor，并使用它提取所有缓存文件：

$ clang++ dsc_extractor.cpp dsc_iterator.cpp -o ddc_extractor
$ ./dsc_extractor ./dyld_shared_cache_arm64 ./

三. dyld加载过程

一个iOS程序的main()函数位于main.m中，这是我们熟知的程序入口。但很少有人去关心main()函数之前到底发生了什么。本章就带着这个疑问，从main()函数入手，探索一下dyld的加载过程。
先用Xcode新建一个Single View App工程，并在main()函数下断，然后运行，调用栈如下图所示。

main()函数调用栈

main()函数之前仅有一个libdyld.dylib`start入口，这显然不是我们想要的，根据这个线索顺藤摸瓜，在dyld源代码dyldStartup.s中找到了__dyld_start函数，此函数由汇编实现，兼容各种平台架构，此处仅摘录arm64架构下的汇编代码片段：

#if __arm64__
.data
.align 3
__dso_static:
.quad   ___dso_handle
.text
.align 2
.globl __dyld_start
__dyld_start:
mov     x28, sp
and sp, x28,  #~15       // force 16-byte alignment of stack
mov x0,  #0
mov x1,  #0
stp x1, x0,  [sp,  #-16]! // make aligned terminating frame
mov fp, sp // set up fp to point to terminating frame
sub sp, sp,  #16             // make room for local variables
ldr     x0,  [x28]  // get app's mh into x0
ldr     x1,  [x28,  #8]           // get argc into x1 (kernel passes 32-bit int argc as 64-bits on stack to keep alignment)
add     x2, x28,  #16        // get argv into x2
adrp    x4,___dso_handle@page
add     x4,x4,___dso_handle@pageoff // get dyld's mh in to x4
adrp    x3,__dso_static@page
ldr     x3,[x3,__dso_static@pageoff]  // get unslid start of dyld
sub x3,x4,x3 // x3 now has slide of dyld
mov x5,sp // x5 has &startGlue
// call dyldbootstrap::start(app_mh, argc, argv, slide, dyld_mh, &startGlue)
bl  __ZN13dyldbootstrap5startEPK12macho_headeriPPKclS2_Pm
mov x16,x0 // save entry point address in x16
ldr     x1,  [sp]
cmp x1,  #0
b.ne Lnew
// LC_UNIXTHREAD way, clean up stack and jump to result
add sp, x28,  #8     // restore unaligned stack pointer without app mh
br  x16 // jump to the program's entry point
// LC_MAIN case, set up stack for call to main()
Lnew: mov lr, x1 // simulate return address into _start in libdyld.dylib
ldr     x0,  [x28,  #8]       // main param1 = argc
add     x1, x28,  #16        // main param2 = argv
add x2, x1, x0, lsl #3
add x2, x2,  #8      // main param3 = &env[0]
mov x3, x2
Lapple: ldr x4,  [x3]
add x3, x3,  #8
cmp x4,  #0
b.ne Lapple  // main param4 = apple
br  x16
#endif  // __arm64__

源码中可以看到一条bl命令，根据注释可以知道是跳转到dyldbootstrap::start()函数：

// call dyldbootstrap::start(app_mh, argc, argv, slide, dyld_mh, &startGlue)
bl  __ZN13dyldbootstrap5startEPK12macho_headeriPPKclS2_Pm

dyldbootstrap::start()函数中做了很多dyld初始化相关的工作，包括：

• rebaseDyld() dyld重定位。
• mach_init() mach消息初始化。
• __guard_setup() 栈溢出保护。

初始化工作完成后，此函数调用到了dyld::_main()，再将返回值传递给__dyld_start去调用真正的main()函数。在dyldInitialization.cpp文件中可以找到dyldbootstrap::start()函数的实现如下：

//
//  This is code to bootstrap dyld.  This work in normally done for a program by dyld and crt.
//  In dyld we have to do this manually.
//
uintptr_t start(const  struct macho_header* appsMachHeader,  int argc,  const  char* argv[],
                intptr_t slide,  const  struct macho_header* dyldsMachHeader,uintptr_t* startGlue)
{
    // if kernel had to slide dyld, we need to fix up load sensitive locations
    // we have to do this before using any global variables
    if  ( slide !=  0  )  {
        // dyld重定位
        rebaseDyld(dyldsMachHeader, slide);
    }
    // allow dyld to use mach messaging
    // mach消息初始化
    mach_init();
    // kernel sets up env pointer to be just past end of agv array
    const  char** envp =  &argv[argc+1];
    // kernel sets up apple pointer to be just past end of envp array
    const  char** apple = envp;
    while(*apple != NULL)  {  ++apple;  }
    ++apple;
    
    // set up random value for stack canary
    // 栈溢出保护
    __guard_setup(apple);
    
    // now that we are done bootstrapping dyld, call dyld's main
    uintptr_t appsSlide = slideOfMainExecutable(appsMachHeader);
    // 进入dyld::_main()函数
    return dyld::_main(appsMachHeader, appsSlide, argc, argv, envp, apple, startGlue);
}

dyld::_main()是整个App启动的关键函数，此函数里面做了很多事情，代码如下：

//
// Entry point for dyld.  The kernel loads dyld and jumps to __dyld_start which
// sets up some registers and call this function.
//
// Returns address of main() in target program which __dyld_start jumps to
//
uintptr_t
_main(const macho_header* mainExecutableMH,  uintptr_t mainExecutableSlide,
      int argc,  const  char* argv[],  const  char* envp[],  const  char* apple[],
      uintptr_t* startGlue)
{
    // Grab the cdHash of the main executable from the environment
    // 第一步，设置运行环境
    uint8_t mainExecutableCDHashBuffer[20];
    const  uint8_t* mainExecutableCDHash =  nullptr;
    if  ( hexToBytes(_simple_getenv(apple,  "executable_cdhash"),  40, mainExecutableCDHashBuffer)  )
        // 获取主程序的hash
        mainExecutableCDHash = mainExecutableCDHashBuffer;
    
    // Trace dyld's load
    notifyKernelAboutImage((macho_header*)&__dso_handle, _simple_getenv(apple,  "dyld_file"));
#if !TARGET_IPHONE_SIMULATOR
    // Trace the main executable's load
    notifyKernelAboutImage(mainExecutableMH, _simple_getenv(apple,  "executable_file"));
#endif
    
    uintptr_t result =  0;
    // 获取主程序的macho_header结构
    sMainExecutableMachHeader = mainExecutableMH;
    // 获取主程序的slide值
    sMainExecutableSlide = mainExecutableSlide;
    
    CRSetCrashLogMessage("dyld: launch started");
    // 设置上下文信息
    setContext(mainExecutableMH, argc, argv, envp, apple);
    
    // Pickup the pointer to the exec path.
    // 获取主程序路径
    sExecPath = _simple_getenv(apple,  "executable_path");
    
    //  Remove interim apple[0] transition code from dyld
    if  (!sExecPath) sExecPath = apple[0];
    
    if  ( sExecPath[0]  !=  '/'  )  {
        // have relative path, use cwd to make absolute
        char cwdbuff[MAXPATHLEN];
        if  ( getcwd(cwdbuff, MAXPATHLEN)  != NULL )  {
            // maybe use static buffer to avoid calling malloc so early...
            char* s =  new  char[strlen(cwdbuff)  + strlen(sExecPath)  +  2];
            strcpy(s, cwdbuff);
            strcat(s,  "/");
            strcat(s, sExecPath);
            sExecPath = s;
        }
    }
    
    // Remember short name of process for later logging
    // 获取进程名称
    sExecShortName =  ::strrchr(sExecPath,  '/');
    if  ( sExecShortName != NULL )
        ++sExecShortName;
    else
        sExecShortName = sExecPath;
    
    // 配置进程受限模式
    configureProcessRestrictions(mainExecutableMH);
    
    // 检测环境变量
    checkEnvironmentVariables(envp);
    defaultUninitializedFallbackPaths(envp);
    
    // 如果设置了DYLD_PRINT_OPTS则调用printOptions()打印参数
    if  ( sEnv.DYLD_PRINT_OPTS )
        printOptions(argv);
    // 如果设置了DYLD_PRINT_ENV则调用printEnvironmentVariables()打印环境变量
    if  ( sEnv.DYLD_PRINT_ENV )
        printEnvironmentVariables(envp);
    // 获取当前程序架构
    getHostInfo(mainExecutableMH, mainExecutableSlide);
    //-------------第一步结束-------------
    
    // load shared cache
    // 第二步，加载共享缓存
    // 检查共享缓存是否开启，iOS必须开启
    checkSharedRegionDisable((mach_header*)mainExecutableMH);
    if  ( gLinkContext.sharedRegionMode !=  ImageLoader::kDontUseSharedRegion )  {
        mapSharedCache();
    }
    ...
    
    try  {
        // add dyld itself to UUID list
        addDyldImageToUUIDList();
        
        // instantiate ImageLoader for main executable
        // 第三步 实例化主程序
        sMainExecutable = instantiateFromLoadedImage(mainExecutableMH, mainExecutableSlide, sExecPath);
        gLinkContext.mainExecutable = sMainExecutable;
        gLinkContext.mainExecutableCodeSigned = hasCodeSignatureLoadCommand(mainExecutableMH);
        
        // Now that shared cache is loaded, setup an versioned dylib overrides
#if SUPPORT_VERSIONED_PATHS
        checkVersionedPaths();
#endif
        
        // dyld_all_image_infos image list does not contain dyld
        // add it as dyldPath field in dyld_all_image_infos
        // for simulator, dyld_sim is in image list, need host dyld added
#if TARGET_IPHONE_SIMULATOR
        // get path of host dyld from table of syscall vectors in host dyld
        void* addressInDyld = gSyscallHelpers;
#else
        // get path of dyld itself
        void* addressInDyld =  (void*)&__dso_handle;
#endif
        char dyldPathBuffer[MAXPATHLEN+1];
        int len = proc_regionfilename(getpid(),  (uint64_t)(long)addressInDyld, dyldPathBuffer, MAXPATHLEN);
        if  ( len >  0  )  {
            dyldPathBuffer[len]  =  '\0';  // proc_regionfilename() does not zero terminate returned string
            if  ( strcmp(dyldPathBuffer, gProcessInfo->dyldPath)  !=  0  )
                gProcessInfo->dyldPath = strdup(dyldPathBuffer);
        }
        
        // load any inserted libraries
        // 第四步 加载插入的动态库
        if  ( sEnv.DYLD_INSERT_LIBRARIES != NULL )  {
            for  (const  char*  const* lib = sEnv.DYLD_INSERT_LIBRARIES;  *lib != NULL;  ++lib)
                loadInsertedDylib(*lib);
        }
        // record count of inserted libraries so that a flat search will look at
        // inserted libraries, then main, then others.
        // 记录插入的动态库数量
        sInsertedDylibCount = sAllImages.size()-1;
        
        // link main executable
        // 第五步 链接主程序
        gLinkContext.linkingMainExecutable =  true;
#if SUPPORT_ACCELERATE_TABLES
        if  ( mainExcutableAlreadyRebased )  {
            // previous link() on main executable has already adjusted its internal pointers for ASLR
            // work around that by rebasing by inverse amount
            sMainExecutable->rebase(gLinkContext,  -mainExecutableSlide);
        }
#endif
        link(sMainExecutable, sEnv.DYLD_BIND_AT_LAUNCH,  true,  ImageLoader::RPathChain(NULL, NULL),  -1);
        sMainExecutable->setNeverUnloadRecursive();
        if  ( sMainExecutable->forceFlat()  )  {
            gLinkContext.bindFlat =  true;
            gLinkContext.prebindUsage =  ImageLoader::kUseNoPrebinding;
        }
        
        link any inserted libraries
        // do this after linking main executable so that any dylibs pulled in by inserted
        // dylibs (e.g. libSystem) will not be in front of dylibs the program uses
        // 第六步 链接插入的动态库
        if  ( sInsertedDylibCount >  0  )  {
            for(unsigned  int i=0; i < sInsertedDylibCount;  ++i)  {
                ImageLoader* image = sAllImages[i+1];
                link(image, sEnv.DYLD_BIND_AT_LAUNCH,  true,  ImageLoader::RPathChain(NULL, NULL),  -1);
                image->setNeverUnloadRecursive();
            }
            // only INSERTED libraries can interpose
            // register interposing info after all inserted libraries are bound so chaining works
            for(unsigned  int i=0; i < sInsertedDylibCount;  ++i)  {
                ImageLoader* image = sAllImages[i+1];
                image->registerInterposing();
            }
        }
        
        //  dyld should support interposition even without DYLD_INSERT_LIBRARIES
        for  (long i=sInsertedDylibCount+1; i < sAllImages.size();  ++i)  {
            ImageLoader* image = sAllImages[I];
            if  ( image->inSharedCache()  )
                continue;
            image->registerInterposing();
        }
        ...
        
        // apply interposing to initial set of images
        for(int i=0; i < sImageRoots.size();  ++i)  {
            sImageRoots[i]->applyInterposing(gLinkContext);
        }
        gLinkContext.linkingMainExecutable =  false;
        
        //  do weak binding only after all inserted images linked
        // 第七步 执行弱符号绑定
        sMainExecutable->weakBind(gLinkContext);
        
        // If cache has branch island dylibs, tell debugger about them
        if  (  (sSharedCacheLoadInfo.loadAddress != NULL)  &&  (sSharedCacheLoadInfo.loadAddress->header.mappingOffset >=  0x78)  &&  (sSharedCacheLoadInfo.loadAddress->header.branchPoolsOffset !=  0)  )  {
            uint32_t count = sSharedCacheLoadInfo.loadAddress->header.branchPoolsCount;
            dyld_image_info info[count];
            const  uint64_t* poolAddress =  (uint64_t*)((char*)sSharedCacheLoadInfo.loadAddress + sSharedCacheLoadInfo.loadAddress->header.branchPoolsOffset);
            //  empty branch pools can be in development cache
            if  (  ((mach_header*)poolAddress)->magic == sMainExecutableMachHeader->magic )  {
                for  (int poolIndex=0; poolIndex < count;  ++poolIndex)  {
                    uint64_t poolAddr = poolAddress[poolIndex]  + sSharedCacheLoadInfo.slide;
                    info[poolIndex].imageLoadAddress =  (mach_header*)(long)poolAddr;
                    info[poolIndex].imageFilePath =  "dyld_shared_cache_branch_islands";
                    info[poolIndex].imageFileModDate =  0;
                }
                // add to all_images list
                addImagesToAllImages(count, info);
                // tell gdb about new branch island images
                gProcessInfo->notification(dyld_image_adding, count, info);
            }
        }
        
        CRSetCrashLogMessage("dyld: launch, running initializers");
        ...
        // run all initializers
        // 第八步 执行初始化方法
        initializeMainExecutable();
        
        // notify any montoring proccesses that this process is about to enter main()
        dyld3::kdebug_trace_dyld_signpost(DBG_DYLD_SIGNPOST_START_MAIN_DYLD2,  0,  0);
        notifyMonitoringDyldMain();
        
        // find entry point for main executable
        // 第九步 查找入口点并返回
        result =  (uintptr_t)sMainExecutable->getThreadPC();
        if  ( result !=  0  )  {
            // main executable uses LC_MAIN, needs to return to glue in libdyld.dylib
            if  (  (gLibSystemHelpers != NULL)  &&  (gLibSystemHelpers->version >=  9)  )
                *startGlue =  (uintptr_t)gLibSystemHelpers->startGlueToCallExit;
            else
                halt("libdyld.dylib support not present for LC_MAIN");
        }
        else  {
            // main executable uses LC_UNIXTHREAD, dyld needs to let "start" in program set up for main()
            result =  (uintptr_t)sMainExecutable->getMain();
            *startGlue =  0;
        }
    }
    catch(const  char* message)  {
        syncAllImages();
        halt(message);
    }
    catch(...)  {
        dyld::log("dyld: launch failed\n");
    }
    ...
    
    return result;
}

笔者对上面比较重要的地方加了一些注释，方便读者查看。整个加载过程可细分为九步：

• 第一步：设置运行环境。
• 第二步：加载共享缓存。
• 第三步：实例化主程序。
• 第四步：加载插入的动态库。
• 第五步：链接主程序。
• 第六步：链接插入的动态库。
• 第七步：执行弱符号绑定
• 第八步：执行初始化方法。
• 第九步：查找入口点并返回。

1.设置运行环境

这一步主要是设置运行参数、环境变量等。代码在开始的时候，将入参mainExecutableMH赋值给了sMainExecutableMachHeader，这是一个macho_header结构体，表示的是当前主程序的Mach-O头部信息，加载器依据Mach-O头部信息就可以解析整个Mach-O文件信息。接着调用setContext()设置上下文信息，包括一些回调函数、参数、标志信息等。设置的回调函数都是dyld模块自身实现的，如loadLibrary()函数实际调用的是libraryLocator()，负责加载动态库。代码片断如下：

static  void setContext(const macho_header* mainExecutableMH,  int argc, const  char* argv[],  const  char* envp[],  const  char* apple[])
{
    gLinkContext.loadLibrary =  &libraryLocator;
    gLinkContext.terminationRecorder =  &terminationRecorder;
    ...
}

configureProcessRestrictions()用来配置进程是否受限，代码逻辑比较简单，sEnvMode默认等于envNone（即受限模式），如果设置了get_task_allow权限或者是内核开发时会设置成envAll，如果设置了uid和gid则立即变成受限模式，代码片段如下：

static  void configureProcessRestrictions(const macho_header* mainExecutableMH)
{
    sEnvMode = envNone;  // 受限模式
    gLinkContext.requireCodeSignature =  true;  // 需要代码签名
    uint32_t flags;
    if  ( csops(0, CS_OPS_STATUS,  &flags,  sizeof(flags))  !=  -1  )  {
        // 启用代码签名
        if  ( flags & CS_ENFORCEMENT )  {
            // get_task_allow
            if  ( flags & CS_GET_TASK_ALLOW )  {
                // Xcode built app for Debug allowed to use DYLD_* variables
                // Xcode调试时允许使用DYLD_*环境变量
                sEnvMode = envAll;  // 非受限模式
            }
            else  {
                // Development kernel can use DYLD_PRINT_* variables on any FairPlay encrypted app
                uint32_t secureValue =  0;
                size_t secureValueSize =  sizeof(secureValue);
                if  (  (sysctlbyname("kern.secure_kernel",  &secureValue,  &secureValueSize, NULL,  0)  ==  0)  &&  (secureValue ==  0)  && isFairPlayEncrypted(mainExecutableMH)  )  {
                    sEnvMode = envPrintOnly;
                }
            }
        }
        else  {
            // Development kernel can run unsigned code
            // 内核开发运行运行非签名代码
            sEnvMode = envAll;  // 非受限模式
            gLinkContext.requireCodeSignature =  false;  // 无需代码签名
        }
    }
    // 如果设置了uid、gid则变成受限模式
    if  ( issetugid()  )  {
        sEnvMode = envNone;
    }
}

checkEnvironmentVariables()检测环境变量，如果sEnvMode为envNone就直接返回，否则调用processDyldEnvironmentVariable()处理并设置环境变量，代码如下：

static  void checkEnvironmentVariables(const  char* envp[])
{
    if  ( sEnvMode == envNone )
        return;
    const  char** p;
    for(p = envp;  *p != NULL; p++)  {
        const  char* keyEqualsValue =  *p;
        if  ( strncmp(keyEqualsValue,  "DYLD_",  5)  ==  0  )  {
            const  char* equals = strchr(keyEqualsValue,  '=');
            if  ( equals != NULL )  {
                strlcat(sLoadingCrashMessage,  "\n",  sizeof(sLoadingCrashMessage));
                strlcat(sLoadingCrashMessage, keyEqualsValue,  sizeof(sLoadingCrashMessage));
                const  char* value =  &equals[1];
                const  size_t keyLen = equals-keyEqualsValue;
                char key[keyLen+1];
                strncpy(key, keyEqualsValue, keyLen);
                key[keyLen]  =  '\0';
                if  (  (sEnvMode == envPrintOnly)  &&  (strncmp(key,  "DYLD_PRINT_",  11)  !=  0)  )
                    continue;
                // 处理并设置环境变量
                processDyldEnvironmentVariable(key, value, NULL);
            }
        }
        else  if  ( strncmp(keyEqualsValue,  "LD_LIBRARY_PATH=",  16)  ==  0  )  {
            const  char* path =  &keyEqualsValue[16];
            sEnv.LD_LIBRARY_PATH = parseColonList(path, NULL);
        }
    }
    ...
}

最后是调用getHostInfo()获取当前程序架构，至此，第一步的准备工作就完成了。
细心的读者可能会注意到，整个过程中有一些DYLD_*开头的环境变量，比如：

// 如果设置了DYLD_PRINT_OPTS则调用printOptions()打印参数
if  ( sEnv.DYLD_PRINT_OPTS )
printOptions(argv);
// 如果设置了DYLD_PRINT_ENV则调用printEnvironmentVariables()打印环境变量
if  ( sEnv.DYLD_PRINT_ENV )
printEnvironmentVariables(envp);

其实，只要在Xcode中配置一下即可让这些环境变量生效，我们随便打开个工程然后依次点击“Product”->“Scheme”->“Edit Scheme…”，如下图所示。

Edit Scheme

在接下来的页面中，点击“Arguments”选项卡，按下图所示添加环境变量并设置“Value”为1。

Xcode设置环境变量

运行Xcode即可看到控制台打印的详细信息：

opt[0]  =  "/var/mobile/Containers/Bundle/Application/B64DB1D3-AD29-4F47-9C77-97B40079E276/Launch.app/Launch"
TMPDIR=/private/var/mobile/Containers/Data/Application/F5D83A13-1C1B-48B7-9764-356C1E1A6764/tmp
__CF_USER_TEXT_ENCODING=0x1F5:0:0
SHELL=/bin/sh
SQLITE_ENABLE_THREAD_ASSERTIONS=1
OS_ACTIVITY_DT_MODE=YES
HOME=/private/var/mobile/Containers/Data/Application/F5D83A13-1C1B-48B7-9764-356C1E1A6764
CFFIXED_USER_HOME=/private/var/mobile/Containers/Data/Application/F5D83A13-1C1B-48B7-9764-356C1E1A6764
FBSClientLogging=0
NSUnbufferedIO=YES
PATH=/usr/bin:/bin:/usr/sbin:/sbin
LOGNAME=mobile
XPC_SERVICE_NAME=UIKitApplication:com.chinapyg.Launch1[0x6e2d]
DYLD_INSERT_LIBRARIES=/Library/MobileSubstrate/MobileSubstrate.dylib:/Developer/usr/lib/libBacktraceRecording.dylib:/Developer/Library/PrivateFrameworks/DTDDISupport.framework/libViewDebuggerSupport.dylib
CLASSIC=0
CFLOG_FORCE_STDERR=YES
DYLD_PRINT_OPTS=1
DYLD_PRINT_ENV=1
USER=mobile
_MSSafeMode=0
XPC_FLAGS=0x1
DYLD_LIBRARY_PATH=/usr/lib/system/introspection

后面还有很多这样的DYLD_*开头的环境变量，感兴趣的读者可以自行测试，笔者不再逐一演示。

2.加载共享缓存

这一步先调用checkSharedRegionDisable()检查共享缓存是否禁用。该函数的iOS实现部分仅有一句注释，从注释我们可以推断iOS必须开启共享缓存才能正常工作，代码如下：

static  void checkSharedRegionDisable(const mach_header* mainExecutableMH)
{
// iOS cannot run without shared region
}

接下来调用mapSharedCache()加载共享缓存，而mapSharedCache()里面实则是调用了loadDyldCache()，从代码可以看出，共享缓存加载又分为三种情况：

• 仅加载到当前进程，调用mapCachePrivate()。
• 共享缓存已加载，不做任何处理。
• 当前进程首次加载共享缓存，调用mapCacheSystemWide()。

loadDyldCache()的实现代码如下：

bool loadDyldCache(const  SharedCacheOptions& options,  SharedCacheLoadInfo* results)
{
    results->loadAddress =  0;
    results->slide =  0;
    results->cachedDylibsGroup =  nullptr;
    results->errorMessage =  nullptr;
    
    if  ( options.forcePrivate )  {
        // mmap cache into this process only
        // 仅加载到当前进程
        return mapCachePrivate(options, results);
    }
    else  {
        // fast path: when cache is already mapped into shared region
        // 共享缓存已加载，不做任何处理
        if  ( reuseExistingCache(options, results)  )
            return  (results->errorMessage !=  nullptr);
        
        // slow path: this is first process to load cache
        // 当前进程首次加载共享缓存
        return mapCacheSystemWide(options, results);
    }
}

mapCachePrivate()、mapCacheSystemWide()里面就是具体的共享缓存解析逻辑，感兴趣的读者可以详细分析。

3. 实例化主程序

这一步将主程序的Mach-O加载进内存，并实例化一个ImageLoader。instantiateFromLoadedImage()首先调用isCompatibleMachO()检测Mach-O头部的magic、cputype、cpusubtype等相关属性，判断Mach-O文件的兼容性，如果兼容性满足，则调用ImageLoaderMachO::instantiateMainExecutable()实例化主程序的ImageLoader，代码如下：

static  ImageLoaderMachO* instantiateFromLoadedImage(const macho_header* mh,  uintptr_t slide,  const  char* path)
{
    // try mach-o loader
    // 尝试加载MachO
    if  ( isCompatibleMachO((const  uint8_t*)mh, path)  )  {
        ImageLoader* image =  ImageLoaderMachO::instantiateMainExecutable(mh, slide, path, gLinkContext);
        addImage(image);
        return  (ImageLoaderMachO*)image;
    }
    
    throw  "main executable not a known format";
}

ImageLoaderMachO::instantiateMainExecutable()函数里面首先会调用sniffLoadCommands()函数来获取一些数据，包括：

• compressed：若Mach-O存在LC_DYLD_INFO和LC_DYLD_INFO_ONLY加载命令，则说明是压缩类型的Mach-O，代码片段如下：

switch  (cmd->cmd)  {
    case LC_DYLD_INFO:
    case LC_DYLD_INFO_ONLY:
        if  ( cmd->cmdsize !=  sizeof(dyld_info_command)  )
            throw  "malformed mach-o image: LC_DYLD_INFO size wrong";
        dyldInfoCmd =  (struct dyld_info_command*)cmd;`
        // 存在LC_DYLD_INFO或者LC_DYLD_INFO_ONLY则表示是压缩类型的Mach-O
        *compressed =  true;
        break;
        ...
}

• segCount：根据 LC_SEGMENT_COMMAND 加载命令来统计段数量，这里抛出的错误日志也说明了段的数量是不能超过255个，代码片段如下：

case LC_SEGMENT_COMMAND:
segCmd =  (struct macho_segment_command*)cmd;
...
if  ( segCmd->vmsize !=  0  )
*segCount +=  1;
if  (  *segCount >  255  )
dyld::throwf("malformed mach-o image: more than 255 segments in %s", path);

• libCount：根据 LC_LOAD_DYLIB、LC_LOAD_WEAK_DYLIB、LC_REEXPORT_DYLIB、LC_LOAD_UPWARD_DYLIB 这几个加载命令来统计库的数量，库的数量不能超过4095个。代码片段如下：

case LC_LOAD_DYLIB:
case LC_LOAD_WEAK_DYLIB:
case LC_REEXPORT_DYLIB:
case LC_LOAD_UPWARD_DYLIB:
*libCount +=  1;
if  (  *libCount >  4095  )
dyld::throwf("malformed mach-o image: more than 4095 dependent libraries in %s", path);

• codeSigCmd：通过解析LC_CODE_SIGNATURE来获取代码签名加载命令，代码片段如下：

case LC_CODE_SIGNATURE:
*codeSigCmd =  (struct linkedit_data_command*)cmd;`
break;

• encryptCmd：通过LC_ENCRYPTION_INFO和LC_ENCRYPTION_INFO_64来获取段的加密信息，代码片段如下：

case LC_ENCRYPTION_INFO:
...
*encryptCmd =  (encryption_info_command*)cmd;
break;
case LC_ENCRYPTION_INFO_64:
...
*encryptCmd =  (encryption_info_command*)cmd;
break;

ImageLoader是抽象类，其子类负责把Mach-O文件实例化为image，当sniffLoadCommands()解析完以后，根据compressed的值来决定调用哪个子类进行实例化，代码如下：

ImageLoader*  ImageLoaderMachO::instantiateMainExecutable(const macho_header* mh,  uintptr_t slide,  const  char* path,  const  LinkContext& context)
{
    bool compressed;
    unsigned  int segCount;
    unsigned  int libCount;
    const linkedit_data_command* codeSigCmd;
    const encryption_info_command* encryptCmd;
    sniffLoadCommands(mh, path,  false,  &compressed,  &segCount,  &libCount, context,  &codeSigCmd,  &encryptCmd);
    // instantiate concrete class based on content of load commands
    if  ( compressed )
        return  ImageLoaderMachOCompressed::instantiateMainExecutable(mh, slide, path, segCount, libCount, context);
    else
#if SUPPORT_CLASSIC_MACHO
        return  ImageLoaderMachOClassic::instantiateMainExecutable(mh, slide, path, segCount, libCount, context);
#else
    throw  "missing LC_DYLD_INFO load command";
#endif
}

此过程可以用下图来进行直观描述。

ImageLoaderMachO::instantiateMainExecutable()函数流程

下面以ImageLoaderMachOCompressed::instantiateMainExecutable()为例来看一下实现：

// create image for main executable
ImageLoaderMachOCompressed*  ImageLoaderMachOCompressed::instantiateMainExecutable(const macho_header* mh,  uintptr_t slide,  const  char* path,
                                                                                   unsigned  int segCount,  unsigned  int libCount,  const  LinkContext& context)
{
    ImageLoaderMachOCompressed* image =  ImageLoaderMachOCompressed::instantiateStart(mh, path, segCount, libCount);
    
    // set slide for PIE programs
    image->setSlide(slide);
    
    // for PIE record end of program, to know where to start loading dylibs
    if  ( slide !=  0  )
        fgNextPIEDylibAddress =  (uintptr_t)image->getEnd();
    
    image->disableCoverageCheck();
    image->instantiateFinish(context);
    image->setMapped(context);
    
    if  ( context.verboseMapping )  {
        dyld::log("dyld: Main executable mapped %s\n", path);
        for(unsigned  int i=0, e=image->segmentCount(); i < e;  ++i)  {
            const  char* name = image->segName(i);
            if  (  (strcmp(name,  "__PAGEZERO")  ==  0)  ||  (strcmp(name,  "__UNIXSTACK")  ==  0)  )
                dyld::log("%18s at 0x%08lX->0x%08lX\n", name, image->segPreferredLoadAddress(i), image->segPreferredLoadAddress(i)+image->segSize(i));
            else
                dyld::log("%18s at 0x%08lX->0x%08lX\n", name, image->segActualLoadAddress(i), image->segActualEndAddress(i));
        }
    }
    return image;
}

这里总结为4步：

• ImageLoaderMachOCompressed::instantiateStart()创建ImageLoaderMachOCompressed对象。
• image->disableCoverageCheck()禁用段覆盖检测。
• image->instantiateFinish()首先调用parseLoadCmds()解析加载命令，然后调用this->setDyldInfo()设置动态库链接信息，最后调用this->setSymbolTableInfo() 设置符号表相关信息，代码片段如下：
• image->setMapped()函数注册通知回调、计算执行时间等等。

在调用完ImageLoaderMachO::instantiateMainExecutable()后继续调用addImage()，将image加入到sAllImages全局镜像列表，并将image映射到申请的内存中。代码如下：

static  void addImage(ImageLoader* image)
{
    // add to master list
    allImagesLock();
    sAllImages.push_back(image);
    allImagesUnlock();
    
    // update mapped ranges
    uintptr_t lastSegStart =  0;
    uintptr_t lastSegEnd =  0;
    for(unsigned  int i=0, e=image->segmentCount(); i < e;  ++i)  {
        if  ( image->segUnaccessible(i)  )
            continue;
        uintptr_t start = image->segActualLoadAddress(i);
        uintptr_t  end  = image->segActualEndAddress(i);
        if  ( start == lastSegEnd )  {
            // two segments are contiguous, just record combined segments
            lastSegEnd =  end;
        }
        else  {
            // non-contiguous segments, record last (if any)
            if  ( lastSegEnd !=  0  )
                addMappedRange(image, lastSegStart, lastSegEnd);
            lastSegStart = start;
            lastSegEnd =  end;
        }
    }
    if  ( lastSegEnd !=  0  )
        addMappedRange(image, lastSegStart, lastSegEnd);
    
    if  ( gLinkContext.verboseLoading ||  (sEnv.DYLD_PRINT_LIBRARIES_POST_LAUNCH &&  (sMainExecutable!=NULL)  && sMainExecutable->isLinked())  )  {
        dyld::log("dyld: loaded: %s\n", image->getPath());
    }
}

至此，初始化主程序这一步就完成了。ImageLoaderMachOClassic::instantiateMainExecutable()函数的实现，同理可推，此处不再详述。

4. 加载插入的动态库

这一步是加载环境变量DYLD_INSERT_LIBRARIES中配置的动态库，先判断环境变量DYLD_INSERT_LIBRARIES中是否存在要加载的动态库，如果存在则调用loadInsertedDylib()依次加载，代码如下：

if  ( sEnv.DYLD_INSERT_LIBRARIES != NULL )  {
    for  (const  char*  const* lib = sEnv.DYLD_INSERT_LIBRARIES;  *lib != NULL;  ++lib)
        loadInsertedDylib(*lib);
}

loadInsertedDylib()内部设置了一个LoadContext参数后，调用了load()函数，
load()函数的实现为一系列的loadPhase*()函数，loadPhase0()~loadPhase1()函数会按照下图所示顺序搜索动态库，并调用不同的函数来继续处理。

搜索顺序

当内部调用到loadPhase5load()函数的时候，会先在共享缓存中搜寻，如果存在则使用ImageLoaderMachO::instantiateFromCache()来实例化ImageLoader，否则通过loadPhase5open()打开文件并读取数据到内存后，再调用loadPhase6()，通过ImageLoaderMachO::instantiateFromFile()实例化ImageLoader，最后调用checkandAddImage()验证镜像并将其加入到全局镜像列表中。
load()函数代码如下：

ImageLoader* load(const  char* path,  const  LoadContext& context,  unsigned& cacheIndex)
{
    ...
    
    // try all path permutations and check against existing loaded images
    
    ImageLoader* image = loadPhase0(path, orgPath, context, cacheIndex, NULL);
    if  ( image != NULL )  {
        CRSetCrashLogMessage2(NULL);
        return image;
    }
    
    // try all path permutations and try open() until first success
    std::vector exceptions;
    image = loadPhase0(path, orgPath, context, cacheIndex,  &exceptions);
#if !TARGET_IPHONE_SIMULATOR
    //  support symlinks on disk to a path in dyld shared cache
    if  ( image == NULL)
        image = loadPhase2cache(path, orgPath, context, cacheIndex,  &exceptions);
#endif
    ...
}

5. 链接主程序

这一步调用link()函数将实例化后的主程序进行动态修正，让二进制变为可正常执行的状态。link()函数内部调用了ImageLoader::link()函数，从源代码可以看到，这一步主要做了以下几个事情：

• recursiveLoadLibraries() 根据LC_LOAD_DYLIB加载命令把所有依赖库加载进内存。
• recursiveUpdateDepth() 递归刷新依赖库的层级。
• recursiveRebase() 由于ASLR的存在，必须递归对主程序以及依赖库进行重定位操作。
• recursiveBind() 把主程序二进制和依赖进来的动态库全部执行符号表绑定。
• weakBind() 如果链接的不是主程序二进制的话，会在此时执行弱符号绑定，主程序二进制则在link()完后再执行弱符号绑定，后面会进行分析。
• recursiveGetDOFSections()、context.registerDOFs() 注册DOF（DTrace Object Format）节。
  ImageLoader::link()源代码如下：

  void  ImageLoader::link(const  LinkContext& context,  bool forceLazysBound,  bool preflightOnly,  bool neverUnload,  const  RPathChain& loaderRPaths,  const  char* imagePath)
{
    ...
    uint64_t t0 = mach_absolute_time();
    // 递归加载加载主程序所需依赖库
    this->recursiveLoadLibraries(context, preflightOnly, loaderRPaths, imagePath);
    ...
    uint64_t t1 = mach_absolute_time();
    context.clearAllDepths();
    // 递归刷新依赖库的层级
    this->recursiveUpdateDepth(context.imageCount());
    uint64_t t2 = mach_absolute_time();
    // 递归进行rebase
    this->recursiveRebase(context);
    uint64_t t3 = mach_absolute_time();
    // 递归绑定符号表
    this->recursiveBind(context, forceLazysBound, neverUnload);
    uint64_t t4 = mach_absolute_time();
    if  (  !context.linkingMainExecutable )
        // 弱符号绑定
        this->weakBind(context);
    uint64_t t5 = mach_absolute_time();
    context.notifyBatch(dyld_image_state_bound,  false);
    uint64_t t6 = mach_absolute_time();
    std::vector dofs;
    // 注册DOF节
    this->recursiveGetDOFSections(context, dofs);
    context.registerDOFs(dofs);
    uint64_t t7 = mach_absolute_time();
    ...
}

6. 链接插入的动态库

这一步与链接主程序一样，将前面调用addImage()函数保存在sAllImages中的动态库列表循环取出并调用link()进行链接，需要注意的是，sAllImages中保存的第一项是主程序的镜像，所以要从i+1的位置开始，取到的才是动态库的ImageLoader：

ImageLoader* image = sAllImages[i+1];

接下来循环调用每个镜像的registerInterposing()函数，该函数会遍历Mach-O的LC_SEGMENT_COMMAND加载命令，读取__DATA,__interpose，并将读取到的信息保存到fgInterposingTuples中，接着调用applyInterposing()函数，内部经由doInterpose()虚函数进行替换操作，以ImageLoaderMachOCompressed::doInterpose()函数的实现为例：该函数内部调用了eachBind()与eachLazyBind()，具体处理函数是interposeAt()，该函数调用interposedAddress()在fgInterposingTuples中查找需要替换的符号地址，进行最终的符号地址替换，代码如下：

void  ImageLoaderMachOCompressed::doInterpose(const  LinkContext& context)
{
    // update prebound symbols
    eachBind(context,  &ImageLoaderMachOCompressed::interposeAt);
    eachLazyBind(context,  &ImageLoaderMachOCompressed::interposeAt);
}

uintptr_t  ImageLoaderMachOCompressed::interposeAt(const  LinkContext& context,  uintptr_t addr,  uint8_t type,  const  char*,
                                                   uint8_t,  intptr_t,  long,  const  char*,  LastLookup*,  bool runResolver)
{
    if  ( type == BIND_TYPE_POINTER )  {
        uintptr_t* fixupLocation =  (uintptr_t*)addr;
        uintptr_t curValue =  *fixupLocation;
        uintptr_t newValue = interposedAddress(context, curValue,  this);
        if  ( newValue != curValue)  {
            *fixupLocation = newValue;
        }
    }
    return  0;
}

7. 执行弱符号绑定

weakBind()首先通过getCoalescedImages()合并所有动态库的弱符号到一个列表里，然后调用initializeCoalIterator()对需要绑定的弱符号进行排序，接着调用incrementCoalIterator()读取dyld_info_command结构的weak_bind_off和weak_bind_size字段，确定弱符号的数据偏移与大小，最终进行弱符号绑定，代码如下：

bool  ImageLoaderMachOCompressed::incrementCoalIterator(CoalIterator& it)
{
    if  ( it.done  )
        return  false;
    
    if  (  this->fDyldInfo->weak_bind_size ==  0  )  {
        /// hmmm, ld set MH_WEAK_DEFINES or MH_BINDS_TO_WEAK, but there is no weak binding info
        it.done  =  true;
        it.symbolName =  "~~~";
        return  true;
    }
    const  uint8_t* start = fLinkEditBase + fDyldInfo->weak_bind_off;
    const  uint8_t* p = start + it.curIndex;
    const  uint8_t*  end  = fLinkEditBase + fDyldInfo->weak_bind_off +  this->fDyldInfo->weak_bind_size;
    uintptr_t count;
    uintptr_t skip;
    uintptr_t segOffset;
    while  ( p <  end  )  {
        uint8_t immediate =  *p & BIND_IMMEDIATE_MASK;
        uint8_t opcode =  *p & BIND_OPCODE_MASK;
        ++p;
        switch  (opcode)  {
            case BIND_OPCODE_DONE:
                it.done  =  true;
                it.curIndex = p - start;
                it.symbolName =  "~~~";  // sorts to end
                return  true;
        }
        break;
        ...
    }
    ...
    return  true;
}

8. 执行初始化方法

这一步由initializeMainExecutable()完成。dyld会优先初始化动态库，然后初始化主程序。该函数首先执行runInitializers()，内部再依次调用processInitializers()、recursiveInitialization()。我们在recursiveInitialization()函数里找到了notifySingle()函数：

context.notifySingle(dyld_image_state_dependents_initialized,  this,  &timingInfo);

接着跟进notifySingle函数，看到下面处理代码：

if  (  (state == dyld_image_state_dependents_initialized)  &&  (sNotifyObjCInit != NULL)  && image->notifyObjC()  )  {
    uint64_t t0 = mach_absolute_time();
    (*sNotifyObjCInit)(image->getRealPath(), image->machHeader());
    uint64_t t1 = mach_absolute_time();
    uint64_t t2 = mach_absolute_time();
    uint64_t timeInObjC = t1-t0;
    uint64_t emptyTime =  (t2-t1)*100;
    if  (  (timeInObjC > emptyTime)  &&  (timingInfo != NULL)  )  {
        timingInfo->addTime(image->getShortName(), timeInObjC);
    }
}

我们关心的只有sNotifyObjCInit这个回调，继续寻找赋值的地方：

void registerObjCNotifiers(_dyld_objc_notify_mapped mapped, _dyld_objc_notify_init init, _dyld_objc_notify_unmapped unmapped)
{
    // record functions to call
    sNotifyObjCMapped = mapped;
    sNotifyObjCInit = init;
    sNotifyObjCUnmapped = unmapped;
    ...

再接着找registerObjCNotifiers函数调用，最终找到这里：

void _dyld_objc_notify_register(_dyld_objc_notify_mapped    mapped,
                                _dyld_objc_notify_init      init,
                                _dyld_objc_notify_unmapped  unmapped)
{
    dyld::registerObjCNotifiers(mapped, init, unmapped);
}

那么到底谁调用了_dyld_objc_notify_register()呢？静态分析已经无法得知，只能对_dyld_objc_notify_register()下个符号断点观察一下了，
点击Xcode的“Debug”菜单，然后点击“Breakpoints”，接着选择“Create Symbolic Breakpoint...”。如下图所示。

image.png

在弹出的对话框中设置_dyld_objc_notify_register()符号断点，按下图所示。

对_dyld_objc_notify_register()函数下断点

运行程序，成功命中断点，从调用栈看到是libobjc.A.dylib的_objc_init函数调用了_dyld_objc_notify_register()。如下图所示。

_dyld_objc_notify_register调用栈

到https://opensource.apple.com/tarballs/objc4/下载objc源代码，找到_objc_init函数：

/***********************************************************************
 * _objc_init
 * Bootstrap initialization. Registers our image notifier with dyld.
 * Called by libSystem BEFORE library initialization time
 **********************************************************************/

void _objc_init(void)
{
    static  bool initialized =  false;
    if  (initialized)  return;
    initialized =  true;
    
    // fixme defer initialization until an objc-using image is found?
    environ_init();
    tls_init();
    static_init();
    lock_init();
    exception_init();
    
    _dyld_objc_notify_register(&map_images, load_images, unmap_image);
}

这里注册的init回调函数就是load_images()，回调里面调用了call_load_methods()来执行所有的+ load方法。现在修改一下工程源码，加入以下代码并下断点即可看到调用栈：

+  (void)load {
    NSLog(@"load");
}

+ load方法调用栈

notifySingle()之后就是调用doInitialization()，代码如下：

// initialize this image
// 调用constructor()
bool hasInitializers =  this->doInitialization(context);

doInitialization()内部首先调用doImageInit来执行镜像的初始化函数，也就是LC_ROUTINES_COMMAND中记录的函数，然后再执行doModInitFunctions()方法来解析并执行DATA,__mod_init_func这个section中保存的函数，如下图所示。

_mod_init_funcs中保存的是全局C++对象的构造函数以及所有带attribute((constructor)的C函数。

__mod_init_func保存的函数指针

现在添加一些代码再来运行一下程序即可验证，如下图所示。

解析__mod_init_func并查看调用栈

10. 查找入口点并返回

这一步调用主程序镜像的getThreadPC()，从加载命令读取LC_MAIN入口，如果没有LC_MAIN就调用getMain()读取LC_UNIXTHREAD，找到后就跳到入口点指定的地址并返回。
至此，整个dyld的加载过程就分析完成了。