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Tony

Appの本質とMach-Oファイル

macOS/iOSにおけるアプリの本質をプロセスの観点から解説。Mach-Oファイルの構造(ヘッダ、ロードコマンド、データ領域)と、プロセスとしてのロード・実行の仕組みについて詳しく説明します。

テクノロジー , iOS 1 分で読めます

Appの本質は実行可能プログラムであり、コンピュータコードとデータの集合体です。オペレーティングシステムの観点から見ると、Appの本質はプロセスです。プロセスとは、コンピュータ上で実行中のプログラムのインスタンスです。オペレーティングシステムにおいて、プロセスはリソース割り当てとスケジューリング実行の基本単位です。各プロセスは独自のメモリ空間、レジスタセット、ファイルハンドル、ネットワーク接続などのリソースを持ち、独立して実行・管理されます。

プロセスはオペレーティングシステムにおける最も基本的なリソース割り当てとスケジューリングの単位です。オペレーティングシステムはプロセス制御ブロック PCB(Process Control Block) を通じてプロセスを管理します。PCB にはプロセスの状態、プロセスID、プロセス優先度、メモリ使用状況、ファイルハンドルなどの情報が含まれます。オペレーティングシステムが別のプロセスに切り替える必要がある場合、現在のプロセスのコンテキストを保存し、別のプロセスのコンテキストをロードすることで、プロセス間の切り替えを実現します。

macOS では、PCBproc と呼ばれます。proc 構造体macOS カーネルにおいて非常に重要なデータ構造であり、カーネル内でのプロセスの状態や情報を記述します。

struct proc {
LIST_ENTRY(proc) p_list; /* List of all processes. */
void * XNU_PTRAUTH_SIGNED_PTR("proc.task") task; /* corresponding task (static)*/
struct proc * XNU_PTRAUTH_SIGNED_PTR("proc.p_pptr") p_pptr; /* Pointer to parent process.(LL) */
pid_t p_ppid; /* process's parent pid number */
pid_t p_original_ppid; /* process's original parent pid number, doesn't change if reparented */
pid_t p_pgrpid; /* process group id of the process (LL)*/
uid_t p_uid;
gid_t p_gid;
uid_t p_ruid;
gid_t p_rgid;
uid_t p_svuid;
gid_t p_svgid;
uint64_t p_uniqueid; /* process unique ID - incremented on fork/spawn/vfork, remains same across exec. */
uint64_t p_puniqueid; /* parent's unique ID - set on fork/spawn/vfork, doesn't change if reparented. */
lck_mtx_t p_mlock; /* mutex lock for proc */
pid_t p_pid; /* Process identifier. (static)*/
char p_stat; /* S* process status. (PL)*/
char p_shutdownstate;
char p_kdebug; /* P_KDEBUG eq (CC)*/
char p_btrace; /* P_BTRACE eq (CC)*/
/* 以下、その他のフィールドは省略 */
};

proc には多数のフィールドとポインタが含まれており、プロセスの状態(p_stat)、プロセスID(p_pid)、プロセス名(p_comm)、プロセス優先度(p_priority)、プロセスのメモリ使用状況(p_vmspace)、ファイル記述子テーブル(p_fd)、スレッドリスト(p_threadlist)など、プロセスのさまざまな属性やリソース使用状況を記述します。

Appがメモリにロードされてプロセスになる前、macOS上の実行可能ファイルは Mach-O ファイルです。Mach-O ファイルには実行可能コード、データ、シンボルテーブル、動的リンク情報など複数の部分が含まれており、macOS におけるアプリケーションとライブラリファイルの基本フォーマットです。

Mach-O ファイルのフォーマットは、ファイルヘッダ(Header)、ロードコマンド(Load commands)、データ領域(Raw segment data)の3つの部分に分けられます。

Mach-O Mach-O file

複数のCPUアーキテクチャを含む Mach-O ファイルは Fat Binary と呼ばれます。file コマンドで Mach-O ファイルのCPUアーキテクチャを確認できます。

Terminal window
$ file /System/Applications/Calculator.app/Contents/MacOS/Calculator
/System/Applications/Calculator.app/Contents/MacOS/Calculator: Mach-O universal binary with 2 architectures: [x86_64:Mach-O 64-bit executable x86_64] [arm64e:Mach-O 64-bit executable arm64e]
/System/Applications/Calculator.app/Contents/MacOS/Calculator (for architecture x86_64): Mach-O 64-bit executable x86_64
/System/Applications/Calculator.app/Contents/MacOS/Calculator (for architecture arm64e): Mach-O 64-bit executable arm64e

Fat Binary に対応する fat_header のオペレーティングシステムにおけるデータ構造定義は fat_header です。

struct fat_header {
uint32_t magic; /* FAT_MAGIC */
uint32_t nfat_arch; /* number of structs that follow */
};
// Fat Binary は複数の fat_arch からなる Mach-O ファイルを含む
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 */
};

このように、macOSシステムの電卓アプリの Mach-O ファイルは、x86_64arm64e の2種類のCPUアーキテクチャを含む Fat Binary であることがわかります。

Mach-O のファイルヘッダには、ファイルタイプ、CPUタイプ、ロードコマンド数などの情報が含まれます。Mach-O ファイルは、実行可能ファイル、動的リンクライブラリ、フレームワークなど、複数のファイルタイプをサポートしています。CPUタイプは、実行可能ファイルが対応するCPUアーキテクチャ(x86x86_64armv7arm64 など)を指定します。ロードコマンド数は、ファイルに含まれるロードコマンドの数を指定します。

otool コマンドは macOSiOS などのオペレーティングシステム上で、実行可能ファイル、動的ライブラリ、フレームワークなどのバイナリファイルの情報を表示するためのツールです。バイナリファイルのヘッダ情報、セクションテーブル、シンボルテーブル、動的リンク情報などを確認できます。

Terminal window
$ otool -h /System/Applications/Calculator.app/Contents/MacOS/Calculator
/System/Applications/Calculator.app/Contents/MacOS/Calculator:
Mach header
magic cputype cpusubtype caps filetype ncmds sizeofcmds flags
0xfeedfacf 16777228 2 0x80 2 29 4208 0x00200085

otool コマンドの他に、MachOView ツールを使用してグラフィカルな画面で Mach-O ファイルを確認することもできます。

Terminal window
brew install machoview

MachOView MachOView

Fat Binary では、各アーキテクチャに mach_header と呼ばれる header ファイルヘッダがあります。64ビットアーキテクチャの mach_header には予約フィールドが1つ追加されます。

/*
* The 32-bit mach header appears at the very beginning of the object file for
* 32-bit architectures.
*/
struct mach_header {
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 */
};
/* Constant for the magic field of the mach_header (32-bit architectures) */
#define MH_MAGIC 0xfeedface /* the mach magic number */
#define MH_CIGAM 0xcefaedfe /* NXSwapInt(MH_MAGIC) */
/*
* The 64-bit mach header appears at the very beginning of object files for
* 64-bit architectures.
*/
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 */
};
/* Constant for the magic field of the mach_header_64 (64-bit architectures) */
#define MH_MAGIC_64 0xfeedfacf /* the 64-bit mach magic number */
#define MH_CIGAM_64 0xcffaedfe /* NXSwapInt(MH_MAGIC_64) */

Mach-O ファイルのロードコマンド(Load Command)は、実行可能ファイルの各セグメントの属性や位置などの情報を記述し、オペレーティングシステムはこれらの情報に基づいて実行可能ファイルをメモリにロードします。各 Load Command は特定のセグメントまたは領域を記述します。一般的な Load Command は次のとおりです。

  • LC_SEGMENT および LC_SEGMENT_64:実行可能コードとデータのセグメント情報を記述します。
  • LC_SYMTAB および LC_DYSYMTAB:シンボルテーブルと動的シンボルテーブルの情報を記述します。
  • LC_LOAD_DYLIB および LC_LOAD_WEAK_DYLIB:動的リンクライブラリの情報を記述します。
  • LC_MAIN:プログラムのエントリポイントの情報を記述します。

load_command

struct load_command {
uint32_t cmd; /* type of load command */
uint32_t cmdsize; /* total size of command in bytes */
};

Mach-O ファイルのデータ領域には複数のセグメント(Segment)が含まれ、各セグメントには異なるタイプのデータが格納されます。一般的なセグメントには __TEXT__DATA__LINKEDIT などがあります。__TEXT セグメントにはコードと読み取り専用データが含まれ、__DATA セグメントにはグローバル変数や静的変数などのデータが含まれ、__LINKEDIT セグメントにはシンボルテーブルや再配置情報などが含まれます。

segment

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 */
int32_t maxprot; /* maximum VM protection */
int32_t initprot; /* initial VM protection */
uint32_t nsects; /* number of sections in segment */
uint32_t flags; /* flags */
};

Mach-O ファイルでは、各 Segment が1つ以上の section を含み、各 section は関連するデータやコードのグループを含みます。例えば、実行可能ファイルでは、一般的な Segment として __TEXT__DATA__LINKEDIT などがあり、各 Segment は複数の section を含みます。例えば __TEXT__text__cstring__stubs などの複数の section を含みます。

SectionMach-O ファイル内のサブユニットであり、Segment 内のサブセグメントとして、関連するデータやコードのグループを含みます。各 Section には名前とタイプがあり、例えば __text__data__cstring などがあります。Mach-O ファイルにおいて、Section の名前とタイプは通常、コンパイラとリンカに関連しており、異なるコンパイラやリンカは異なる名前とタイプを使用する場合があります。

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 */
};

参考資料

  1. Mach-O Programming Topics
  2. osx-abi-macho-file-format-reference
  3. 深入剖析Macho
  4. ChatGPT