APP的启动

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：



App启动流程

下面我们就来一一解读。

App文件的组成

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:



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的数据结构在头文件上有定义：

#define FAT_MAGIC   0xcafebabe

#define FAT_CIGAM  0xbebafeca  /* NXSwapLong(FAT_MAGIC) */

struct fat_header {

uint32_t    magic;

uint32_t    nfat_arch;

};

struct fat_arch {

cpu_type_t  cputype;

cpu_subtype_t   cpusubtype;

uint32_t    offset;

uint32_t    size;

uint32_t    align;

};

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：在头文件定义了Mach-O Header的数据结构：

以上引用代码是32位的文件头数据结构，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;

uint32_t cmdsize;

};

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/

内核Kernel

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：



启动进程的流程

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。

execve(proc_t p, struct execve_args *uap, int32_t *retval)

{

__mac_execve(proc_t p, struct __mac_execve_args *uap, int32_t *retval)

{

exec_activate_image(struct image_params *imgp)

{

for(i = 0; error == -1 && execsw[i].ex_imgact != NULL; i++) {
error = (*execsw[i].ex_imgact)(imgp);
exec_mach_imgact(struct image_params *imgp)

{

load_machfile(struct image_params *imgp, ...)

{
if (create_map) {

vm_map_create();

}

if (!(imgp->ip_flags & IMGPF_DISABLE_ASLR)) {

aslr_offset = random();

}
parse_machfile(struct vnode *vp, ..., load_result_t *result)

{

}

}

if (load_result.unixproc) {
thread_setuserstack(thread, ap);

}

thread_setentrypoint(thread, load_result.entry_point);
stopprofclock(p);

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：

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

)

{

if (depth > 6) {

return(LOAD_FAILURE);

}

depth++;

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);

}

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);

for (pass = 1; pass validentry == 0)) {

thread_state_initialize(thread);

ret = LOAD_FAILURE;

break;

}

offset = mach_header_sz;

ncmds = header->ncmds;

while (ncmds--) {

lcp = (struct load_command *)(addr + offset);

oldoffset = offset;

offset += lcp->cmdsize;

switch(lcp->cmd) {

case LC_SEGMENT:

if (pass != 2)

break;

ret = load_segment(lcp, header->filetype, control, file_offset, macho_size, vp, map, slide, result);

break;

case LC_SEGMENT_64:

break;

case LC_UNIXTHREAD:

if (pass != 1)

break;

ret = load_unixthread((struct thread_command *) lcp, thread, slide, result);

break;

case LC_MAIN:

if (pass != 1)

break;

if (depth != 1)

break;

ret = load_main((struct entry_point_command *) lcp, thread, slide, result);

break;

case LC_LOAD_DYLINKER:

if (pass != 3)

break;

if ((depth == 1) && (dlp == 0)) {

dlp = (struct dylinker_command *)lcp;

dlarchbits = (header->cputype & CPU_ARCH_MASK);

} else {

ret = LOAD_FAILURE;

}

break;

case LC_UUID:

break;

case LC_CODE_SIGNATURE:

break;

#if CONFIG_CODE_DECRYPTION

case LC_ENCRYPTION_INFO:

case LC_ENCRYPTION_INFO_64:

break;

#endif

default:

ret = LOAD_SUCCESS;

break;

}

if (ret != LOAD_SUCCESS)

break;

}

if (ret != LOAD_SUCCESS)

break;

}

if (ret == LOAD_SUCCESS) {

if ((ret == LOAD_SUCCESS) && (dlp != 0)) {

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

)

{

ret = get_macho_vnode(name, archbits, header,

&a
899e
mp;file_offset, &macho_size, macho_data, &vp);

if (ret)

goto novp_out;

*myresult = load_result_null;

ret = parse_machfile(vp, map, thread, header, file_offset,

macho_size, depth, slide, 0, myresult);

if (ret == LOAD_SUCCESS) {

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);

}

总结

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：

《Mac OS X Internals: A Systems Approach》

《Mac OS X and iOS Internals : To the Apple’s Core》

XNU源代码

The App Launch Sequence on iOS

Mach-O Programming Topics

DYLD Detailed