图解 Mach-O 中的 got

got 是什么

iOS 开发中，动态库是个绕不开的话题，系统库基本上是动态库。它的一大优势是节约内存，可让多个程序映射同一份的动态库，实现代码共享。动态库本身也是一个 Mach-O 文件，也有数据段、代码段等。其中代码段可读可执行，数据段可读可写。

动态库共享的只是代码段部分，为了达到代码段共享的目的，其符号地址在生成时就不能写死，因为它映射到每个程序中虚拟内存空间中的位置可能不一样。对于数据段部分，由于各个程序会对其进行修改，因此每个程序会单独映射一份。

那么如何解决代码段共享的问题呢？聪明的人们，想出一种精妙的解决方式。通过添加一个中间层，到另一个表中去查找符号的地址。这个表就叫 got，global offset table，全局符号偏移表，然后在运行时绑定地址信息，将地址填入到 got 中。这样代码段中的符号就与具体地址无关，只和 got 中的数据有关。这种方式就叫 PIC，Program Independent Code，地址无关代码。

或许你可能会想到，got 中保存的是符号地址，而每个程序的地址是不一样的，那 got 肯定是不能共享的。没错，所以 got 会保存在数据段中，每个程序单独一份。在进行符号绑定时，更新 got 中对应符号的地址即可。

got 的位置

在了解 got 是什么之后，我们再来看看 Mach-O 中 got 到底放在了哪里。通过下图可以看出，有个专门的 __got section 存放 got 数据，而它是属于 __DATA segment。

对于 segment 和 section，可能大家会有些困惑。下面来简单解释一下。

section

section 称为节，是由编译器对 .o 内容的划分，将同类资源在逻辑上划分到一起。常见的 section 有:

• 存放代码指令，.text
• 存放已初始化全局变量，.data
• 存放未初始化的全局变量和静态局部变量，.bss
• 符号表，.symtab
• 字符串表，.strtab

segment

segment 称为段，它是权限属性相同 section 的集合。

在程序装载时，操作系统并不关心 section 的数量和内容，只对其权限敏感，因此没必要一个个加载 section，只需将权限相同的 section 合到一起加载即可。

另外，这样还可节省内存。由于内存按页分配，即使不满一个页也得分配一整页。若单个 section 大小非系统页长度的整数倍，会造成内存碎片。而将其合并后，会有效缓解这种情况。

举个栗子, .text 和 .init 的权限都是只读可执行，.init 是程序初始化代码。

假设页的大小是 4 KB，.text 大小为 4098 字节，.init 大小为 900 字节。如下图所示，若将它们单独映射，.text 会占用 2 个页，.init 占用 1 个页，整体占用 3 个页。

如果它们合并成代码段，那么只需占用 2 个页，减少内存浪费。如下图所示。

可执行文件是由多个 .o 文件链接而成的，每个 .o 文件有各自的 section。因此链接器将所有 .o 文件中权限相同的 section 合并到一起，形成 segment。操作系统只需将 segment 映射到虚拟内存空间即可。

平常我们所说的代码段、数据段，便是指链接后的 segment。

动态库符号类型

动态库中的符号分为 non-lazy symbol 和 lazy symbol。

• non-lazy symbol，是指在启动时就必须链接的符号，确定好符号地址。
• lazy symbol ，顾名思义，延迟绑定符号，只在使用时才进行链接。

为啥要分为两种类型呢？我们试想一下，如果所有动态库的符号都是启动时链接，一个程序随随便便依赖的系统动态库就有大几十个。每个动态库中符号还不少，并且也不是所有符号都会用到，这样势必会拖慢启动速度。所以采用延迟绑定技术，只需在第一次用到时进行绑定，可提高性能。而数据符号相对较少，则可以采用 non-lazy 的方式，放到启动时就链接。

因此，Mach-O 中划分了两个 section 来保存 non-lazy symbol 和 lazy symbol。其中 __got 中保存的是 non-lazy symbol，__la_symbol_ptr 保存的是 lazy symbol。

下面，我们来实践一下，验证上述说法的正确性。请将以下文件放在同一个目录下。

print.c：

#include <stdio.h>

char *global = "hello";

void print(char *str)
{
  printf("%s\n", str);
}
复制代码

main.c:

void print(char *str);

extern char *global;

int main()
{
  print(global);
  return 0;
}
复制代码

run.sh:

// 生成 main.o，目标版本 14.0
xcrun -sdk iphoneos clang -c main.c -o main.o -target arm64-apple-ios14.0

// 生成 libPrint.dylib 动态库
xcrun -sdk iphoneos clang -fPIC -shared print.c -o libPrint.dylib -target arm64-apple-ios14.0

// 链接生成可执行文件，"-L .", 表示在当前目录中查找。"-l Print"，链接 libPrint.dylib 动态库
xcrun -sdk iphoneos clang main.o -o main -L . -l Print -target arm64-apple-ios14.0
复制代码

给 run.sh 添加可执行权限后再运行，生成可执行文件。

chmod +x run.sh
./run.sh
复制代码

执行完毕后，在目录中会生成 libPrint.dylib 动态库和 main 可执行文件。

将 main 拖到 MachOView 中，如下图所示：

右边红框中的 _global 就是动态库 libPrint.dylib 中的符号。它被放到了 __got 中，并且其初始地址为 0。它是表的第一项，表地址是 0x10008000，那么 0x10008000 中的值就是符号地址。

另外，我们还发现，在 __got 中还有一条记录 dyld_stub_binder，初始地址也是 0。它是表的第二项，也就是 0x10008008 地址中的值为符号地址。

_global 在启动时会进行链接，那么如何知道需要链接哪个动态库呢？我们点开 Symbol Table，会看到如下信息：

可见，符号表中已经包含了 _global 所属动态库的信息，libPrint.dylib*。*同样 dyld_stub_binder ，它在 libSystem.B.dylib **中。

虽然动态库中的符号，在生成可执行文件时，没有进行链接，但是在符号表中记录了它在哪个动态库中。这样在运行时进行链接，才能到相应动态库中找到。

dyld_stub_binder

从字面意思，我们大致可以猜到，它是用来做符号绑定用的。前面提到过，函数符号都是在第一次使用时才进行绑定，其实是通过 dyld_stub_binder 来进行符号查找与地址重定位。鉴于它肩负重大使命，因此必须预先绑定好地址，所以会放到 __got 中。

dyld_stub_binder 是用汇编实现的，在 dyld_stub_binder.s 中。它的调用链路如下：

// 汇编中调用 fastBindLazySymbol
1. dyld::fastBindLazySymbol

2. ImageLoaderMachOCompressed::doBindFastLazySymbol

// 符号绑定
3. ImageLoaderMachOCompressed::bindAt

// 符号地址解析
4. ImageLoaderMachOCompressed::resolve

// 符号地址更新
5. ImageLoaderMachO::bindLocation
复制代码

其中 resolve 是解析符号地址，bindLocation 进行符号地址更新。

lazy 符号重定位

上面我们说到，函数符号的重定位是通过 dyld_stub_binder 来做的，那么有没有依据可寻呢？当然有啦。

从下图可以看出，_print 的地址是 0x100007FAC，不是说在第一次调用时才绑定地址吗？为什么该函数的地址会有值呢？没错，但它需要有人帮忙来进行地址重定位，这个帮手就是 0x100007FAC 处的神秘嘉宾。

这个地址处在 __TEXT 段范围，通过查看 __TEXT 段各个 section 的地址范围，我们很容易发现它处在 __stub_helper 中。如下图所示：

请注意看图上的 1、2、3 标号。地址 0x100007FAC 处于 1 号。它对应的汇编代码功能是：

• 取出 0x100007fb4 处的值放入 w16，也就是将 w16 清 0。
• b 是无返回跳转指令，跳转到 0x100007f94，也就是开头 2 号处。

然后，从 2 号处开始执行，一直到 3 号位置。3 号区域的功能是：

• 第一行是相对地址偏移取值指令。在距离当前行地址 0x10007FA4 偏移 0x64 的地方取出值，放入 x16。也就是取出 0x10007FA4 + 0x64 = 0x10008008 处的内容。
• br x16，进行函数调用，跳转到 x16 中的地址。

所以，最主要是得弄清楚 0x10008008 地址里面的内容是啥，根据 br 指令推断，它肯定是个函数地址。

有没有觉得 0x10008008 有些熟悉呢？再看看下面这张图，其实在第一节的图中我们已经看到过它。got 中第二项的地址就是 0x10008008，而它正好存储的是 dyld_stub_binder 地址。

这样，一切都清楚了。

• 函数符号的地址绑定会调用到 dyld_stub_binder。
• 通过它获取到地址后，再更新下图中红框处的值为函数的真正地址。
• 以后就不用走 dyld_stub_binder 地址绑定的流程了，直接跳转到函数地址去执行。

got 符号值查找

变量和函数统称为符号，所有符号信息都在符号表 Symbol Table 中，符号值在字符串表 String Table 中。符号表只是记录了它在字符串表中的下标，因为这样可以节省空间。

而我们上文中提到的 global 是个外部全局变量，那么它存在了符号表中的哪里？可以通过何种路径找到它呢？下面来探寻一下。

首先让我们回到 Mach-O 的 Load Commands 中。它里面有一系列的加载命令，告诉系统如何加载不同的 segment。加载命令中包含了 Section Header 的数组，header 里面包含了每个 section 的基础信息，比如节名称、所属 segment 的名称、地址、大小、偏移、保留字段等等。

既然 __got 是一个 section，那么肯定也有对应的头信息。从下图可以看到，在 LG_SEGMENT_64(__DATA_CONST) 中，包含了 __got 的 header。

注意右边红框中 Indirect Sym Indx 部分，它表示了 __got 中的第一个符号在间接表中的下标，间接表其实就是动态库符号表。如果 __got 中有多个符号，那么下标依次 +1 即可。

举个栗子，假设 __got 第一个符号在间接表中的下标是 x，那么第二个符号的下标为 x+1，第三个为 x+2，以此类推。如下图所示：

而间接表中的内容是该符号在符号表的下标，取出内容，然后到符号表中查找，便可找到符号信息。到这里还没完，由于符号值并不是直接存在符号表中，而是在字符串表。最后拿字符串下标到字符串表中查找。

这里有点绕，流程如下：

1. 通过 __got section header，拿到 indirectSymIndex。

2. 拿 indirectSymIndex 到间接表中（indirect symbol table）取到符号表中的下标 symIndex。

3. 拿 symIndex 到符号表中取到最终的符号信息，这里有它在字符串表中的下标 strIndex。

4. 拿 strIndex 到字符串表中取到符号字符字符串。
复制代码

整体图示如下（注：符号表中仅画出了下标，省略了其他信息）：

光说不练假把式，下面我们来验证一下。

__got section header 中在间接符号表的下标为 1，也就是说第一个符号下标为 1。从上文图中可以看到，__got 中总共有 2 个符号，分别为 _global 和 dyld_stub_bind。如果找到的符号为 _global，那么表示上述结论是正确的。

此时 __got section header 的数据如下图所示，indirect sym index = 1：

那我们到 dynamic symbol table 中去瞧一瞧，找到下标为 1 的数据信息，即第二个数据。如下所示：

从上图可以看出，在对应的 Data 一列中，内容为 3，表示它在符号表中的下标为 3。

此时 indirect symbol table 中的数据如下所示：

然后继续到符号表中看看下标为 3 的数据是啥。如下图所示：

第四项数据 String Table Index，它的值是 0x1c，转换为十进制为 28，这就是字符串表中的下标。

此时符号表中的数据如下所示：

最后一步，来到字符串表中。看看下标为 28 的内容是什么？一行是 16 字节，第二行倒数第四个数就是符号开始处（不放心的可以自己数一数😆）。

其中，5F 是 _ 的 ascii 码，67 是 g 的 ascii 码，...，一直到 . 号为止。正好对应的是 _global，也就证明了查找过程的正确性。

此时字符串表数据如下：

那对于第二个符号 dyld_stub_binder ，你是否可以自行实践出来呢？

其实，以上查找不仅限于 __got 中的符号，对于延迟加载符号一样适用。下图中 __la_symbol 同样也有 Indirect Sym Index。动态库中的符号都是这种查找方式。

这篇文章中，我们介绍了什么是 got、got 在 mach-o 中的位置、函数符号如何与 dyld_stub_binder 进行关联，以及如何一步步查找动态库符号的值。希望对你有用处~

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