iOS启动优化-1

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启动优化基本概念1

虚拟内存 & 物理内存

早期的数据访问是直接通过物理地址访问的，这种方式有以下两个问题：

1、内存不够用
2、内存数据的安全问题

内存不够用的方案：虚拟内存

针对问题1，我们在进程和物理内存之间增加一个中间层，这个中间层就是所谓的虚拟内存，主要用于解决当多个进程同时存在时，对物理内存的管理。提高了CPU的利用率，使多个进程可以同时、按需加载。所以虚拟内存其本质就是一张虚拟地址和物理地址对应关系的映射表

每个进程都有一个独立的虚拟内存，其地址都是从0开始，大小是4G固定的，每个虚拟内存又会划分为一个一个的页（页的大小在iOS中是16K，其他的是4K），每次加载都是以页为单位加载的，进程间是无法互相访问的，保证了进程间数据的安全性。
当CPU需要访问数据时，首先是访问虚拟内存，然后通过虚拟内存去寻址(MMU翻译虚拟内存地址)，接着在共享缓存中找对应的物理地址，然后对相应的物理地址进行访问
如果在访问时，虚拟地址的内容未加载到物理内存，会发生缺页异常（pagefault），将当前进程阻塞掉，此时需要先将数据载入到物理内存，然后再寻址，进行读取。这样就避免了内存浪费

如下图所示，虚拟内存与物理内存间的关系

虚拟内存&物理内存

内存数据的安全问题：ASLR技术

在上面解释的虚拟内存中，我们提到了虚拟内存的起始地址与大小都是固定的，这意味着，当我们访问时，其数据的地址也是固定的，这会导致我们的数据非常容易被破解，为了解决这个问题，所以苹果为了解决这个问题，在iOS4.3开始引入了ASLR技术。

ASLR的概念：(Address Space Layout Randomization ) 地址空间配置随机加载，是一种针对缓冲区溢出的安全保护技术，通过对堆、栈、共享库映射等线性区布局的随机化，通过增加攻击者预测目的地址的难度，防止攻击者直接定位攻击代码位置，达到阻止溢出攻击的目的的一种技术。

其目的的通过利用随机方式配置数据地址空间，使某些敏感数据（例如APP登录注册、支付相关代码）配置到一个恶意程序无法事先获知的地址，令攻击者难以进行攻击。

由于ASLR的存在，导致可执行文件和动态链接库在虚拟内存中的加载地址每次启动都不固定，所以需要在编译时来修复镜像中的资源指针，来指向正确的地址。即正确的内存地址 = ASLR地址 + 偏移值

可执行文件

不同的操作系统，其可执行文件的格式也不同。系统内核将可执行文件读取到内存，然后根据可执行文件的头签名（magic魔数）判断二进制文件的格式

可执行文件

其中PE、ELF、Mach-O这三种可执行文件格式都是COFF（Command file format）格式的变种，COFF的主要贡献是目标文件里面引入了“段”的机制，不同的目标文件可以拥有不同数量和不同类型的“段”。

通用二进制文件

因为不同CPU平台支持的指令不同，比如arm64和x86，苹果中的通用二进制格式就是将多种架构的Mach-O文件打包在一起，然后系统根据自己的CPU平台，选择合适的Mach-O，所以通用二进制格式也被称为胖二进制格式，如下图所示

胖二进制格式

通用二进制格式的定义在<mach-o/fat.h>中，可以在下载xnu，然后根据xun -> EXTERNAL_HEADERS ->mach-o中找到该文件，通用二进制文件开始的Fat Header是fat_header结构体，而Fat Archs是表示通用二进制文件中有多少个Mach-O，单个Mach-O的描述是通过fat_arch结构体。两个结构体的定义如下

/*
 - magic：可以让系统内核读取该文件时知道是通用二进制文件
 - nfat_arch：表明下面有多个fat_arch结构体，即通用二进制文件包含多少个Mach-O
 */
struct fat_header {
    uint32_t    magic;      /* FAT_MAGIC */
    uint32_t    nfat_arch;  /* number of structs that follow */
};

/*
 fat_arch是描述Mach-O
 - cputype 和 cpusubtype：说明Mach-O适用的平台
 - offset（偏移）、size（大小）、align（页对齐）描述了Mach-O二进制位于通用二进制文件的位置
 */
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 */
};

所以，综上所述，

通用二进制文件是苹果公司提出的一种新的二进制文件的存储结构，可以同时存储多种架构的二进制指令，使CPU在读取该二进制文件时可以自动检测并选用合适的架构，以最理想的方式进行读取

-由于通用二进制文件会同时存储多种架构，所以比单一架构的二进制文件大很多，会占用大量的磁盘空间，但由于系统会自动选择最合适的，不相关的架构代码不会占用内存空间，且执行效率高了

还可以通过指令来进行Mach-O的合并与拆分
- 查看当前Mach-O的架构：lipo -info MachO文件
- 合并：lipo -create MachO1 MachO2 -output 输出文件路径
- 拆分：lipo MachO文件 –thin 架构 –output 输出文件路径

Mach-O文件

Mach-O文件是Mach Object文件格式的缩写，它是用于可执行文件、动态库、目标代码的文件格式。作为a.out格式的替代，Mach-O格式提供了更强的扩展性，以及更快的符号表信息访问速度

熟悉Mach-O文件格式，有助于更好的理解苹果底层的运行机制，更好的掌握dyld加载Mach-O的步骤。

查看Mach-O文件

如果想要查看具体的Mach-O文件信息，可以通过以下两种方式，推荐使用第二种方式，更直观

【方式一】otool终端命令：otool -l Mach-O文件名

【方式二】 MachOView工具（推荐）：将Mach-O可执行文件拖动到MachOView工具打开

MachOView

Mach-O文件格式

对于OS X 和iOS来说，Mach-O是其可执行文件的格式，主要包括以下几种文件类型

Executable：可执行文件
Dylib：动态链接库
Bundle：无法被链接的动态库，只能在运行时使用dlopen加载
Image：指的是Executable、Dylib和Bundle的一种
Framework：包含Dylib、资源文件和头文件的集合

下面图示是Mach-O 镜像文件格式

mach-O镜像文件

以上是Mach-O文件的格式，一个完成的Mach-O文件主要分为三大部分：

Header Mach-O头部：主要是Mach-O的cpu架构，文件类型以及加载命令等信息
Load Commands 加载命令：描述了文件中数据的具体组织结构，不同的数据类型使用不同的加载命令表示
Data 数据：数据中的每个段（segment）的数据都保存在这里，段的概念与ELF文件中段的概念类似。每个段都有一个或多个部分，它们放置了具体的数据与代码，主要包含代码，数据，例如符号表，动态符号表等等

Header

Mach-O的Header包含了整个Mach-O文件的关键信息，使得CPU能快速知道Mac-O的基本信息，其在Mach.h（路径同前文的fat.h一致）针对32位和64位架构的cpu，分别使用了mach_header和mach_header_64结构体来描述Mach-O头部。mach_header是连接器加载时最先读取的内容，决定了一些基础架构、系统类型、指令条数等信息，这里查看64位架构的mach_header_64结构体定义，相比于32位架构的mach_header，只是多了一个reserved保留字段，

/*
 - magic：0xfeedface(32位) 0xfeedfacf(64位)，系统内核用来判断是否是mach-o格式
 - cputype：CPU类型，比如ARM
 - cpusubtype：CPU的具体类型，例如arm64、armv7
 - filetype：由于可执行文件、目标文件、静态库和动态库等都是mach-o格式，所以需要filetype来说明mach-o文件是属于哪种文件
 - ncmds：sizeofcmds：LoadCommands加载命令的条数（加载命令紧跟header之后）
 - sizeofcmds：LoadCommands加载命令的大小
 - flags：标志位标识二进制文件支持的功能，主要是和系统加载、链接有关
 - reserved：保留字段
 */
struct mach_header_64 {
    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 */
    uint32_t    reserved;   /* reserved */
};

其中filetype主要记录Mach-O的文件类型，常用的有以下几种

#define MH_OBJECT   0x1     /* 目标文件*/
#define MH_EXECUTE  0x2     /* 可执行文件*/
#define MH_DYLIB    0x6     /* 动态库*/
#define MH_DYLINKER 0x7     /* 动态链接器*/
#define MH_DSYM     0xa     /* 存储二进制文件符号信息，用于debug分析*/

相对应的，Header在MachOView中的展示如下

Header展示

Load Commands

在Mach-O文件中，Load Commands主要是用于加载指令，其大小和数目在Header中已经被提供，其在Mach.h中的定义如下

/*
 load_command用于加载指令
 - cmd 加载命令的类型
 - cmdsize 加载命令的大小
 */
struct load_command {
    uint32_t cmd;       /* type of load command */
    uint32_t cmdsize;   /* total size of command in bytes */
};

我们在MachOView中查看Load Commands，其中记录了很多信息，例如动态链接器的位置、程序的入口、依赖库的信息、代码的位置、符号表的位置等等，如下所示

Load Commands展示

其中LC_SEGMENT_64的类型segment_command_64定义如下

/*
 segment_command 段加载命令
 - cmd：表示加载命令类型，
 - cmdsize：表示加载命令大小（还包括了紧跟其后的nsects个section的大小）
 - segname：16个字节的段名字
 - vmaddr：段的虚拟内存起始地址
 - vmsize：段的虚拟内存大小
 - fileoff：段在文件中的偏移量
 - filesize：段在文件中的大小
 - maxprot：段页面所需要的最高内存保护（4 = r，2 = w，1 = x）
 - initprot：段页面初始的内存保护
 - nsects：段中section数量
 - flags：其他杂项标志位
 
 - 从fileoff（偏移）处，取filesize字节的二进制数据，放到内存的vmaddr处的vmsize字节。（fileoff处到filesize字节的二进制数据，就是“段”）
 - 每一个段的权限相同（或者说，编译时候，编译器把相同权限的数据放在一起，成为段），其权限根据initprot初始化。initprot指定了如何通过读/写/执行位初始化页面的保护级别
 - 段的保护设置可以动态改变，但是不能超过maxprot中指定的值（在iOS中，+x和+w是互斥的）
 */
struct segment_command_64 { /* for 64-bit architectures */
    uint32_t    cmd;        /* LC_SEGMENT_64 */
    uint32_t    cmdsize;    /* includes sizeof section_64 structs */
    char        segname[16];    /* segment name */
    uint64_t    vmaddr;     /* memory address of this segment */
    uint64_t    vmsize;     /* memory size of this segment */
    uint64_t    fileoff;    /* file offset of this segment */
    uint64_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 */
};

Data

Load Commands后就是Data区域，这个区域存储了具体的只读、可读写代码，例如方法、符号表、字符表、代码数据、连接器所需的数据（重定向、符号绑定等）。主要是存储具体的数据。其中大多数的Mach-O文件均包含以下三个段：

__TEXT 代码段：只读，包括函数，和只读的字符串
__DATA 数据段：读写，包括可读写的全局变量等
__LINKEDIT： __LINKEDIT包含了方法和变量的元数据（位置，偏移量），以及代码签名等信息。

在Data区中，Section占了很大的比例，Section在Mach.h中是以结构体section_64（在arm64架构下）表示，其定义如下

/*
 Section节在MachO中集中体现在TEXT和DATA两段里.
 - sectname：当前section的名称
 - segname：section所在的segment名称
 - addr：内存中起始位置
 - size：section大小
 - offset：section的文件偏移
 - align：字节大小对齐
 - reloff：重定位入口的文件偏移
 - nreloc：重定位入口数量
 - flags：标志，section的类型和属性
 - reserved1：保留（用于偏移量或索引）
 - reserved2：保留（用于count或sizeof）
 - reserved3：保留
 */

struct section_64 { /* for 64-bit architectures */
    char        sectname[16];   /* name of this section */
    char        segname[16];    /* segment this section goes in */
    uint64_t    addr;       /* memory address of this section */
    uint64_t    size;       /* size in bytes of this section */
    uint32_t    offset;     /* file offset of this section */
    uint32_t    align;      /* section alignment (power of 2) */
    uint32_t    reloff;     /* file offset of relocation entries */
    uint32_t    nreloc;     /* number of relocation entries */
    uint32_t    flags;      /* flags (section type and attributes)*/
    uint32_t    reserved1;  /* reserved (for offset or index) */
    uint32_t    reserved2;  /* reserved (for count or sizeof) */
    uint32_t    reserved3;  /* reserved */
};

Section展示

其中常见的section，主要有以下一些

section - __TEXT	说明
__TEXT.__text	主程序代码
__TEXT.__cstring	C语言字符串
__TEXT.__const	const 关键字修饰的常量
__TEXT.__stubs	用于 Stub 的占位代码，很多地方称之为桩代码
__TEXT.__stubs_helper	当 Stub 无法找到真正的符号地址后的最终指向
__TEXT.__objc_methname	Objective-C 方法名称
__TEXT.__objc_methtype	Objective-C 方法类型
__TEXT.__objc_classname	Objective-C 类名称

section - __DATA	说明
__DATA.__data	初始化过的可变数据
__DATA.__la_symbol_ptr	lazy binding 的指针表，表中的指针一开始都指向 __stub_helper
__DATA.nl_symbol_ptr	非 lazy binding 的指针表，每个表项中的指针都指向一个在装载过程中，被动态链机器搜索完成的符号
__DATA.__const	没有初始化过的常量
__DATA.__cfstring	程序中使用的 Core Foundation 字符串（CFStringRefs）
__DATA.__bss	BSS，存放为初始化的全局变量，即常说的静态内存分配
__DATA.__common	没有初始化过的符号声明
__DATA.__objc_classlist	Objective-C 类列表
__DATA.__objc_protolist	Objective-C 原型
__DATA.__objc_imginfo	Objective-C 镜像信息
__DATA.__objc_selfrefs	Objective-C self 引用
__DATA.__objc_protorefs	Objective-C 原型引用
__DATA.__objc_superrefs	Objective-C 超类引用

所以，综上所述，Mach-O的格式图示，如下所示

Mach-O的格式图示

iOS启动优化-1

启动优化基本概念1

虚拟内存 & 物理内存

内存不够用的方案：虚拟内存

内存数据的安全问题：ASLR技术

可执行文件

通用二进制文件

Mach-O文件

查看Mach-O文件

Mach-O文件格式

Header

Load Commands

Data

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