objc系列譯文（6.3）：Mach-O 可執行檔案
當我們在Xcode中構建一個程式的時候，其中有一部分就是把原始檔（.m和.h）檔案轉變成可執行檔案。這個可執行檔案包含了將會在CPU（iOS裝置上的arm處理器或者你mac上的Intel處理器）執行的位元組碼。
我們將會過一遍編譯器這個過程的做了些什麼，同時也看一下可執行檔案的內部到底是怎樣的。其實，裡面的東西比你看到的要多很多。
讓我們先把Xcode放一邊，踏入Commond-Lines的大陸。當我們在Xcode中構建一個App時，Xcode只是簡單的呼叫了一系列的工具而已。希望這將會讓你更好的明白一個可執行檔案（被稱之為Mach-O可執行檔案），是怎樣組裝起來的，並且是怎樣在iOS或者os x上執行的
XCrun
先從一些基礎性的東西開始：我們將會使用一個叫做Xcrun的命令列工具。他看起來很奇怪，但是的確相當出色。這個小工具是用來呼叫其他工具的。 原先的時候我們執行：
| 1 | %clang-v |
現在在終端中，我們可以執行：
| 1 | % |
Xcrun定位Clang，並且使用相關的引數來執行Clang。
為什麼我們要做這個事情？這看起來毫無重點，胡扯八道。但是Xcrun允許我們使用多個版本的Xcode，或者使用特定Xcode版本里面的工具，或者針對特點的SDK使用不同的工具。如果你恰好有Xcode4.5和xcode5、使用xcode-select和xcrun你可以選擇選擇使用來自Xcode4.5裡面的SDK的工具，或者來自Xcode5裡面的SDK的工具。在大多數其他平臺上，這將是一個不可能的事情。如果你看一下幫助手冊上xcode-select和xcrun的一些細節。你就能在不安裝命令列工具的情況下，使用在終端中使用開發者工具。
一個不使用IDE的Hello World
回到終端，建立一個包含一個c檔案的目錄：
Shell| 12345 | %mkdir~/Desktop/objcio-command-line%cd!$%touchhelloworld.c |
現在使用你喜歡的文字編輯器來編輯這個檔案，例如TextEdit.app：
Shell| 1 | %open-ehelloworld.c |
錄入下面的程式碼：
Shell| 123456 | #include <stdio.h>intmain(intargc,char*argv[]){printf("Hello World!\n");return0;} |
儲存，並且回到終端執行：
Shell| 123 | %xcrunclanghelloworld.c%./a.out |
現在你能夠在終端上看到熟悉的Hello World！。你編譯了一個C程式並且執行了它。所有都是在不使用IDE的情況下做的。深呼吸一下，高興高興。
我們在這裡做了些什麼？我們將hellowrold.c編譯成了叫a.out的Mach-o二進位制檔案。a.out是編譯器的預設名字，除非你指定一個別的。
Hello World和編譯器
現在可選擇的編譯器是Clang（讀作：/’kl /）。Chris寫了一些更多關於Clang細節的介紹，可以參考： about the compiler
概括一下就是，編譯器將會讀入處理hellowrold.c，輸出可執行檔案a.out。這個過程包含了非常多的步驟。我們所要做的就是正確的執行它們。
預處理:
- 序列化
- 巨集定義展開
- #include展開（引用檔案展開）
語法和語義分析：
- 使用預處理後的單詞構建詞法樹
- 執行語義分析生成語法樹
- 輸出AST （Abstract Syntax Tree）
程式碼生成和優化
- 將AST轉化成更低階的中間碼（LLVM IR）
- 優化生成程式碼
- 目的碼生成
- 輸出彙編程式碼
彙編程式
- 將彙編程式碼轉化成目標檔案
聯結器
- 將多個目標檔案合併成可執行檔案（或者一個動態庫） 我們來看一個關於這些步驟的簡單的例子。
預處理
編譯器將做的第一件事情是處理檔案。使用Clang展示一下這個過程：
Shell| 1 | %xcrun clang-Ehelloworld.c |
歐耶。輸出了413行內容。打開個編輯器看看到底發生了什麼：
Shell| 1 | %xcrun clang-Ehelloworld.c|open-f |
在檔案頂部我們能看到很多以”#”開頭的行。這些被稱之為行標記語句的語句告訴我們它後面的內容來自哪裡。我們需要這個。如果我再看一下hellowrold.c，第一行是：
C| 1 | #include <stdio.h> |
我們都用過#include和#import。它們做的就是告訴於處理器在#include語句的地方插入stdio.h的內容。在剛剛的檔案裡就是插入了一個以#開頭的行標記。跟在#後面的數字是在原始檔中的行號。每一行最後的數字是在新檔案中的行號。回到剛才開啟的檔案，接下來是系統標頭檔案，或者一些被看成包裹著extern “C”的檔案。
如果你滾動到檔案末尾，你將會發現我們的helloworld.c的程式碼：
C| 123456 | # 2 "helloworld.c" 2intmain(intargc,char*argv[]){printf("Hello World!\n");return0;} |
在Xcode中，你可以通過使用Product->Perform Action-> Preprocess來檢視任何一個檔案的預處理輸出。一定要注意這將會花費一些時間來載入預處理輸出檔案（接近100，000行）。
編譯
下一個步驟：文字處理和程式碼生成。我們可以呼叫clang輸出彙編程式碼就像這樣：
Shell| 1 | %xcrun clang-S-o-helloworld.c|open-f |
看一看輸出。我們首先注意到的是一些以點開頭的行。這些是彙編指令。其他的是真正的x86_64彙編程式碼。最後是些標記，就像C中的那些標記一樣。
我們從前三行開始：
| 123 | .section __TEXT,__text,regular,pure_instructions.globl _main.align4,0x90 |
這三行是彙編指令，不是彙編程式碼。”.section”指令指出了哪一個段接下來將會被執行。比用二進位制表示好看多了。
下一個，.global指令說明_main是一個外部符號。這就是我們的main（）函式。它能夠從我們的二進位制檔案之外看到，因為系統要呼叫它來執行可執行檔案。
.align指令指出了下面程式碼的對齊方式。從我們的角度看，接下來的程式碼將會按照16位元對齊並且如果需要的時候用0x90補齊。
下面是main函式的頭部：
| 123456789101112 | _main:## @main.cfi_startproc## BB#0:pushq%rbpLtmp2:.cfi_def_cfa_offset16Ltmp3:.cfi_offset%rbp,-16movq%rsp,%rbpLtmp4:.cfi_def_cfa_register%rbpsubq$32,%rsp |
這一部分有一些和C標記工作機制一樣的一些標記。它們是某些特定部分的彙編程式碼的符號連結。首先是_main函式真正的開始地址。這個也是被丟擲的符號。二進位制檔案將會在這個地方產生一個引用。
.cfi_startproc指令一半會在函式開始的地方使用。CFI是Call Frame Information的縮寫。幀鬆散的與一個函式互動。當你使用偵錯程式，並且單步執行的時候，你實際上是在呼叫幀中跳轉。在C程式碼中，函式有自己的呼叫幀，除了函式之外的一些結構也會有呼叫站。.cfi_startproc指令給了函式一個.en_frame的入口，這個入口包含了堆疊展開資訊（表示異常如何展開呼叫幀堆疊）。這個指令也會發送一些和具體平臺相關的指令給CFI。檔案後面的.cfi_endproc與.cfi_startproc相匹配，來表示結束main函式。
下一步，這裡有另外一個Label ## BB#0.然後，終於來了第一句彙編程式碼：pushq %rbp。從這裡開始事情開始變得有趣。在OS X上，我們將會有x84_64的程式碼。對於這種架構，有一個東西叫做ABI（application binary interface），ABI表示函式呼叫是怎樣在彙編程式碼層面上工作的。ABI指出在函式呼叫時，rbp暫存器必須被保護起來。這是main函式的責任，來確保返回時，rbp暫存器中有資料。pushq %rbp將它的資料推進堆疊，以便我們以後使用。
下面是，兩個CFI指令： .cfi_def_cfa_offset 16 和 .cfi_offset %rbp, -16. 這將會輸出一些資訊，這些資訊是關於生成呼叫堆疊展開資訊和除錯資訊的。我們改變了堆疊，並且這兩個指令告訴編譯器指標指向哪裡，或者它們說出了之後偵錯程式將會使用的資訊。
現在movq %rsp， %rbp將會把區域性變數載入進堆疊。subq $32，%rsp將堆疊指標移動32位元，也就是函式將會呼叫的位置。我們先在rbp中儲存了老的堆疊指標，然後將此作為我們區域性變數的基址，然後我們更新堆疊指標到我們將會使用的位置。
之後，我們呼叫了printf（）：
| 1234567 | leaq L_.str(%rip),%raxmovl$0,-4(%rbp)movl%edi,-8(%rbp)movq%rsi,-16(%rbp)movq%rax,%rdimovb$0,%alcallq _printf |
首先，leaq載入到L_.str的指標到暫存器rax。注意L_.str標記是怎樣在下面的程式碼中定義的。它就是C字串“hello world！\n”。暫存器edi和rsi儲存了函式的第一個和第二個引數。直到我們呼叫其他函式，我們第一步需要儲存它們當前值。這就是為什麼我們使用剛剛儲存的rbp偏移32位元的原因。第一個32位元是零，之後32個位元是edi的值（儲存了argc），然後是64bit的rsi暫存器的值。我們在後面不會使用這些資料。但是如果編譯器沒有使用優化的時候，它們還是會被存下來。
現在，我們將會把第一個函式（printf）的引數載入進暫存器edi。printf函式是一個可變引數的函式。ABI呼叫約定指定，將會把使用來儲存引數的暫存器數量儲存在暫存器al中。對我們來講是0。最後callq呼叫了printf函式。
| 123 | movl$0,%ecxmovl%eax,-20(%rbp)## 4-byte Spillmovl%ecx,%eax |
這將設定ecx寄存的值為0，並且把eax的值壓棧。然後從ecx複製0到eax。ABI指定eax將會儲存函式的返回值，我們man函式的返回值是0：
| 1234 | addq$32,%rsppopq%rbpret.cfi_endproc |
函式執行完成後，將恢復堆疊指標，通過上移32bit在rsp中的堆疊指標。我們將會出棧我們早先儲存的rbp的值，然後呼叫ret來返回，ret將會讀取離開堆疊的地址。.cfi_endproc平衡了.cfi_startproc指令。
下一步是一個字一個字的輸出我們的字串：“hello world!\n”:
之後.section指令指出下面將要跳入的段。L_.str標記允許獲取一個字元轉的指標。.asciz指定告訴彙編器輸出一個0的字串結尾。
__TEXT __cstring開始了一個新的段。這個段包含了C字串：
| 123 | .section __TEXT,__cstring,cstring_literalsL_.str:## @.str.asciz"Hello World!\n" |
這兩行建立了一個沒有結束符的字元創。注意L_.str是怎樣命名，和來獲取字串的。
最後.subseciton_via_symbols指令是靜態連結編輯器使用的。
彙編編譯器：
彙編編譯器，只是簡單的將彙編程式碼轉換成機器碼。它建立了一個目標檔案。這些檔案以.o結尾。如果你使用Xcode構建一個app，你將會在Derived Data目錄下面的你的工程目錄中的objects-normal目錄下面發現這些檔案。
聯結器：
我們將會多談一點關於連結的東西。但是簡單的說，聯結器確定了目標檔案和庫之間的連結。這是什麼意思？ 重新呼叫 callq _printf. printf是在libc庫中的一個函式。無論怎樣，最後的可執行檔案需要能知道printf（）在記憶體中的什麼位置。例如符號_printf的地址。聯結器將會讀取所有的目標檔案，所有的庫和結束任何未定義的符號。然後將它們編碼進最後的可執行檔案，然後輸出最後的可執行檔案：a.out。
段
就像我們上面提到的一樣，這裡有些東西叫做段。一個可執行檔案包含多個段。可執行檔案不同的部分將會載入進不同的段。並且每個段將會轉化進一個“Segment”中。這對我們隨便寫的app如此，對我們用心寫的app也一樣。
我們來看看在a.out中的段。我們可以使用size：
| 1234567891011121314151617 | %xcrunsize-x-l-ma.outSegment __PAGEZERO:0x100000000(vmaddr0x0fileoff0)Segment __TEXT:0x1000(vmaddr0x100000000fileoff0)Section __text:0x37(addr0x100000f30offset3888)Section __stubs:0x6(addr0x100000f68offset3944)Section __stub_helper:0x1a(addr0x100000f70offset3952)Section __cstring:0xe(addr0x100000f8aoffset3978)Section __unwind_info:0x48(addr0x100000f98offset3992)Section __eh_frame:0x18(addr0x100000fe0offset4064)total0xc5Segment __DATA:0x1000(vmaddr0x100001000fileoff4096)Section __nl_symbol_ptr:0x10(addr0x100001000offset4096)Section __la_symbol_ptr:0x8(addr0x100001010offset4112)total0x18Segment __LINKEDIT:0x1000(vmaddr0x100002000fileoff8192)total0x100003000 |
a.out檔案有四個段。其中一些有section。
當我們執行一個可執行檔案。虛擬記憶體系統會將segment對映到程序的地址空間中。對映完全不同於我們一般的認識，但是如果你對虛擬記憶體系統不熟悉，可以簡單的想象VM會將整個檔案載入進記憶體，雖然在實際上這不會發生。VM使用了一些技巧來避免全部載入。
當虛擬記憶體系統進行對映時，資料段和可執行段會以不同的引數和許可權被對映。
__TEXT段包含了可執行的程式碼。它們被以只讀和可執行的方式對映。程序被允許執行這些程式碼，但是不能修改。這些程式碼也不能改變它們自己，並且這些頁從來不會被汙染。
__DATA段以可讀寫和不可執行的方式對映。它包含了將會被更改的資料。
第一個段是__PAGEZERO。這個有4GB大小。這4GB並不是檔案的真實大小，但是說明了程序的前4GB地址空間將會被對映為，不能執行，不能讀，不能寫。這就是為什麼在去寫NULL指標或者一些低位的指標的時候，你會得到一個EXC_BAD_ACCESS錯誤。這是作業系統在嘗試防止你引起系統崩潰。
在每一個段內有一些片段。它們包含了可執行檔案的不同的部分。在_TEXT段，_text片段包含了編譯得到的機器碼。_stubs和_stub_helper是給動態連結器用的。著允許動態連結的程式碼延遲連結。_const是不可變的部分，就像_cstring包含了可執行檔案的字串一樣。
_DATA段包含了可讀寫資料。從我們的角度，我們只有_nl_sysmol_ptr 和__la_symble_ptr，它們是延遲連結的指標。延遲連結的指標被用來執行未定義的函式。例如，那些沒有包含在可執行檔案本身內部的函式。它們將會延遲載入。那些非延遲連結的指標將會在可執行檔案被夾在的時候確定。
其他在_DATA中共同的段是_const。她包含了那些需要重定位的不可變資料。一個例子是chat* const p = “foo”; p指標指向的資料不是靜態的。_bss片段包含了沒有被初始化的靜態變數例如static int a； ANSI C標準指出這些靜態變數將會被設定為零。但是在執行時可以被改變。_common片段包含了被動態連結器使用的佔位符片段。
段內容：
我們能檢查每一個片段的內容，使用otool像這樣：