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iOS系统内核XNU

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2020/02/16 Share

iOS系统内核XNU

iOS系统架构

基于ARM架构

  • 用户体验层：主要提供用户界面。这一层包含了SpringBoard，Spotlight，Accessibility。
  • 应用架构层：开发者会用到，包含了Cocoa Touch。
  • 核心架构层：系统核心功能的框架层。包含了各种图形和媒体核心框架，Metal等。
  • Darwin层：操作系统的核心，属于操作系统的内核态。包含了系统内核XNU，驱动等

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XNU

XNU内部由Mach，BSD，驱动API IOKit组成，这些都依赖于libkern，libsa，Platform Expert。

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Mach

Mach作为UNIX内核的替代，主要解决UNIX一切皆文件导致抽象机制不足的问题，为现代操作系统坐了进一步的抽象工作。Mach负责操作系统最基本的工作，包括进程和线程抽象，处理器调度，进程间通信，消息机制，虚拟内存管理，内存保护等。

进程对应到Mach是Mach Task，Mach Task可以看做是线程执行环境的抽象，包含虚拟地址空间，IPC空间，处理器资源，调度控制，线程容器。

进程在BSD里有BSD Process处理，BSD Process扩展了Mach Task，增加了进程ID，信号信息等，BSD Process里面包含了扩展Mach Thread结构的Uthread。

Mach的模块包括进程和线程都是对象，对象之间不能直接调用，只能通过Mach Msg进行通信，也就是 mach_msg()函数。

每个Mach Thread 表示一个线程，是Mach里的最小执行单元。Mach Thread有自己的状态，包括及其状态，线程栈，调度优先级（有128个，数字越大表示优先级越高），调度策略，内核Port，异常Port。

Mach Thread既可以有Mach Task处理，也可以扩展为Uthread，通过BSD Process处理。这是因为XNU采用的是微内核Mach和宏内核BSD的混合内核，具备微内核和宏内核的优点。

  • 微内核剋提高系统的模块化程度，提供内存保护的信息传递机制
  • 宏内核可以叫单内核，在出现高负荷状态时依然能够让系统保持高效运作

XNU加载App

iOS的可执行文件和动态库都是Mach-O格式，所以加载App实际上就是加载Mach-O文件。

Mach-O header信息结构代码：

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struct mach_header_64 {
    uint32_t        magic;      // 64位还是32位
    cpu_type_t      cputype;    // CPU 类型，比如 arm 或 X86
    cpu_subtype_t   cpusubtype; // CPU 子类型，比如 armv8
    uint32_t        filetype;   // 文件类型
    uint32_t        ncmds;      // load commands 的数量
    uint32_t        sizeofcmds; // load commands 大小
    uint32_t        flags;      // 标签
    uint32_t        reserved;   // 保留字段
};

其中filetype有

  • OBJECT，指的是.O文件或者.a文件
  • EXECUTE，指的是IPA拆包后的文件
  • DYLIB，指的是.dylib或.framework文件
  • DYLINKER，指的是动态链接器
  • DSYM，指的是保存有符号信息用于分析闪退信息的文件

加载Mach-O文件，内核会fork进程，并对进程进行一些基本设置，比如为进程分配虚拟内存，为进程创建主线程，代码签名等。用户态dyld会对Mach-O文件做库加载和符号解析。

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int __mac_execve(proc_t p, struct __mac_execve_args *uap, int32_t *retval)
{
    // 字段设置
    ...
    int is_64 = IS_64BIT_PROCESS(p);
    struct vfs_context context;
    struct uthread  *uthread; // 线程
    task_t new_task = NULL;   // Mach Task
    ...
    
    context.vc_thread = current_thread();
    context.vc_ucred = kauth_cred_proc_ref(p);
    
    // 分配大块内存，不用堆栈是因为 Mach-O 结构很大。
    MALLOC(bufp, char *, (sizeof(*imgp) + sizeof(*vap) + sizeof(*origvap)), M_TEMP, M_WAITOK | M_ZERO);
    imgp = (struct image_params *) bufp;
    
    // 初始化 imgp 结构里的公共数据
    ...
    
    uthread = get_bsdthread_info(current_thread());
    if (uthread->uu_flag & UT_VFORK) {
        imgp->ip_flags |= IMGPF_VFORK_EXEC;
        in_vfexec = TRUE;
    } else {
        // 程序如果是启动态，就需要 fork 新进程
        imgp->ip_flags |= IMGPF_EXEC;
        // fork 进程
        imgp->ip_new_thread = fork_create_child(current_task(),
                    NULL, p, FALSE, p->p_flag & P_LP64, TRUE);
        // 异常处理
        ...

        new_task = get_threadtask(imgp->ip_new_thread);
        context.vc_thread = imgp->ip_new_thread;
    }
    
    // 加载解析 Mach-O
    error = exec_activate_image(imgp);
    
    if (imgp->ip_new_thread != NULL) {
        new_task = get_threadtask(imgp->ip_new_thread);
    }

    if (!error && !in_vfexec) {
        p = proc_exec_switch_task(p, current_task(), new_task, imgp->ip_new_thread);
    
        should_release_proc_ref = TRUE;
    }

    kauth_cred_unref(&context.vc_ucred);
    
    if (!error) {
        task_bank_init(get_threadtask(imgp->ip_new_thread));
        proc_transend(p, 0);

        thread_affinity_exec(current_thread());

        // 继承进程处理
        if (!in_vfexec) {
            proc_inherit_task_role(get_threadtask(imgp->ip_new_thread), current_task());
        }

        // 设置进程的主线程
        thread_t main_thread = imgp->ip_new_thread;
        task_set_main_thread_qos(new_task, main_thread);
    }
    ...
}

由于Mach-O文件，_mac_execve函数会先为Mach-O分配一大块内存imgp，接下来会初始化imgp里的公共数据。内存处理完，_mac_execve函数就会通过fork_create_chhild()函数fork出一个新的进程。新进程fork后，会通过exec_activate_image()函数解析Mach-O文件到内存imgp里。最后使用task_set_main_thread_qos()函数设置新fork出进程的主线程。

exec_activate_image()函数

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struct execsw {
    int (*ex_imgact)(struct image_params *);
    const char *ex_name;
} execsw[] = {
    { exec_mach_imgact,     "Mach-o Binary" },
    { exec_fat_imgact,      "Fat Binary" },
    { exec_shell_imgact,        "Interpreter Script" },
    { NULL, NULL}
};

加载Mach-O文件就是exec_mach_imgact()函数。exec_mach_imgact()通过load_machfile()函数加载Mach-O文件，根据解析Mach-O后得到的load command信息，通过映射方式加载到内存中。还使用activate_exec_state()函数处理解析加载Mach-O后到结构信息，设置执行App的入口点。

设置完入口点后会通过load_dylinker()函数来解析加载dyld，然后将入口点地址改成dyld的入口地址。这一步完后，内核部分就完成了Mach-O文件的加载，剩下的就是用户态层dyld加载App了。

Dyld的入口函数是_dyld_start，dyld属于用户态进程，不再XNU里，__dyld_start会加载App相关的动态库，处理完成后返回App的入口地址，然后到App的main函数。

原文作者：Wrappers

原文链接：https://wrapperss.github.io/2020/02/16/iOS系统内核XNU/

发表日期：February 16th 2020, 1:02:45 pm

更新日期：February 16th 2020, 1:03:09 pm

版权声明：本文采用知识共享署名-非商业性使用 4.0 国际许可协议进行许可

CATALOG
  1. 1. iOS系统内核XNU
    1. 1.1. iOS系统架构
    2. 1.2. XNU
      1. 1.2.1. Mach
      2. 1.2.2. XNU加载App
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