iOS Mach異常和signal信號
摘要： 本着探究下iOS Crash捕獲的目的，學習了下Crash捕獲相關的Mach異常和signal信號處理，記錄下相關內容，並提供對應的測試示例代碼。Mach爲XNU的微內核，Mach異常爲最底層的內核級異常，在iOS系統中，底層Crash先觸發Mach異常，而後再轉換爲對應的signal信號。html
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本着探究下iOS Crash捕獲的目的，學習了下Crash捕獲相關的Mach異常和signal信號處理，記錄下相關內容，並提供對應的測試示例代碼。Mach爲XNU的微內核，Mach異常爲最底層的內核級異常，在iOS系統中，底層Crash先觸發Mach異常，而後再轉換爲對應的signal信號。編程
1. iOS Mach異常app
1.1 XNU框架
Darwin是Mac OS和iOS的操做系統，而XNU是Darwin操做系統的內核部分。XNU是混合內核，兼具宏內核和微內核的特性，而Mach即爲其微內核。異步
Darwin操做系統和MacOS、iOS系統版本號的對應如上圖所示，Mac可執行下述命令查看Darwin版本號。async
system_profiler SPSoftwareDataType
1.2 Mach函數
Mach:[mʌk]，操做系統微內核，是許多新操做系統的設計基礎。oop
Mach微內核中有幾個基礎概念：
Tasks，擁有一組系統資源的對象，容許」thread」在其中執行。
Threads，執行的基本單位，擁有task的上下文，並共享其資源。
Ports，task之間通信的一組受保護的消息隊列；task可對任何port發送/接收數據。
Message，有類型的數據對象集合，只能夠發送到port。
1.3 模擬Mach Message發送
Mach提供少許API，蘋果文檔介紹較少。
// 內核中建立一個消息隊列，獲取對應的port mach_port_allocate(); // 授予task對port的指定權限 mach_port_insert_right(); // 經過設定參數：MACH_RSV_MSG/MACH_SEND_MSG用於接收/發送mach message mach_msg();
下述代碼模擬向Mach Port發送Message，接收Message後作處理：
首先調用createPortAndAddListener建立Mach Port；
調用sendMachPortMessage:向已建立的Mach Port發送消息；
執行結果示例：
2018-02-27 09:33:37.797435+0800 xxx[54456:5198921] create a port: 41731 2018-02-27 09:33:37.797697+0800 xxx[54456:5198921] Send a mach message: [100]. 2018-02-27 09:33:37.797870+0800 xxx[54456:5199525] Receive a mach message:[100], remote_port: 0, local_port: 41731, exception code: 28672
示例代碼：
// 建立Mach Port並監聽消息
+ (mach_port_t)createPortAndAddListener {
mach_port_t server_port;
kern_return_t kr = mach_port_allocate(mach_task_self(), MACH_PORT_RIGHT_RECEIVE, &server_port);
assert(kr == KERN_SUCCESS);
NSLog(@"create a port: %d", server_port);
kr = mach_port_insert_right(mach_task_self(), server_port, server_port, MACH_MSG_TYPE_MAKE_SEND);
assert(kr == KERN_SUCCESS);
[self setMachPortListener:server_port];
return server_port;
}
+ (void)setMachPortListener:(mach_port_t)mach_port {
dispatch_async(dispatch_get_global_queue(DISPATCH_QUEUE_PRIORITY_DEFAULT, 0), ^{
mach_message mach_message;
mach_message.Head.msgh_size = 1024;
mach_message.Head.msgh_local_port = server_port;
mach_msg_return_t mr;
while (true) {
mr = mach_msg(&mach_message.Head,
MACH_RCV_MSG | MACH_RCV_LARGE,
0,
mach_message.Head.msgh_size,
mach_message.Head.msgh_local_port,
MACH_MSG_TIMEOUT_NONE,
MACH_PORT_NULL);
if (mr != MACH_MSG_SUCCESS && mr != MACH_RCV_TOO_LARGE) {
NSLog(@"error!");
}
mach_msg_id_t msg_id = mach_message.Head.msgh_id;
mach_port_t remote_port = mach_message.Head.msgh_remote_port;
mach_port_t local_port = mach_message.Head.msgh_local_port;
NSLog(@"Receive a mach message:[%d], remote_port: %d, local_port: %d, exception code: %d",
msg_id,
remote_port,
local_port,
mach_message.exception);
abort();
}
});
}
// 向指定Mach Port發送消息
+ (void)sendMachPortMessage:(mach_port_t)mach_port {
kern_return_t kr;
mach_msg_header_t header;
header.msgh_bits = MACH_MSGH_BITS(MACH_MSG_TYPE_COPY_SEND, 0);
header.msgh_size = sizeof(mach_msg_header_t);
header.msgh_remote_port = mach_port;
header.msgh_local_port = MACH_PORT_NULL;
header.msgh_id = 100;
NSLog(@"Send a mach message: [%d].", header.msgh_id);
kr = mach_msg(&header,
MACH_SEND_MSG,
header.msgh_size,
0,
MACH_PORT_NULL,
MACH_MSG_TIMEOUT_NONE,
MACH_PORT_NULL);
}
1.4 捕獲Mach異常
task_set_exception_ports()，設置內核接收Mach異常消息的Port，替換爲自定義的Port後，便可捕獲程序執行過程當中產生的異常消息。
執行結果示例：
2018-02-27 09:52:11.483076+0800 xxx[55018:5253531] create a port: 23299 2018-02-27 09:52:14.484272+0800 xxx[55018:5253531] ********** Make a [BAD MEM ACCESS] now. ********** 2018-02-27 09:52:14.484477+0800 xxx[55018:5253611] Receive a mach message:[2405], remote_port: 23555, local_port: 23299, exception code: 1
示例代碼：
+ (void)createAndSetExceptionPort {
mach_port_t server_port;
kern_return_t kr = mach_port_allocate(mach_task_self(), MACH_PORT_RIGHT_RECEIVE, &server_port);
assert(kr == KERN_SUCCESS);
NSLog(@"create a port: %d", server_port);
kr = mach_port_insert_right(mach_task_self(), server_port, server_port, MACH_MSG_TYPE_MAKE_SEND);
assert(kr == KERN_SUCCESS);
kr = task_set_exception_ports(mach_task_self(), EXC_MASK_BAD_ACCESS | EXC_MASK_CRASH, server_port, EXCEPTION_DEFAULT | MACH_EXCEPTION_CODES, THREAD_STATE_NONE);
[self setMachPortListener:server_port];
}
// 構造BAD MEM ACCESS Crash
- (void)makeCrash {
NSLog(@"********** Make a [BAD MEM ACCESS] now. **********");
*((int *)(0x1234)) = 122;
}
1.5 Runloop
Mach Port的應用不止於內核級別，在Cocoa Foundation和Core Foundation層一樣有其應用，好比說：Runloop。
Runloop sources分兩類：
Input sources
Port-Based sources
Custom Input sources
Timer sources
其中Port-Based sources即基於Mach Port，在Runloop中完成消息傳遞。
上述的Mach API爲內核層透出接口，Cocoa Foundation和Core Foundation層分別封裝了Mach Port的接口供調用，參考：Apple - Runloop Programming Guard，有詳細的示例代碼。
2. signal信號
signal是一種軟中斷信號，提供異步事件處理機制。signal是進程間相互傳遞信息的一種粗糙方法，使用場景：
進程終止相關；
終端交互；
編程錯誤或硬件錯誤相關，系統遇到不可恢復的錯誤時觸發崩潰機制讓程序退出，好比：除0、內存寫入錯誤等。
這裏咱們主要考慮系統遇到不可恢復的錯誤時即Crash時，信號相關的應用。signal信號處理是UNIX操做系統機制，因此Android平臺理論上也是使用的，能夠基於signal來捕獲Android Native Crash。
2.1 signal註冊和處理
signal() #import <sys/signal.h>；
註冊signal handler；
調用成功時，會移除signo信號當前的操做，以handler指定的新信號處理程序替代；
信號處理函數返回void，由於沒有地方給該函數返回。
註冊自定義信號處理函數，構造Crash後，發出信號並執行自定義信號處理邏輯。
【附】：Xcode Debug運行時，添加斷點，在Crash觸發前，執行pro hand -p true -s false SIGABRT命令。
(lldb) pro hand -p true -s false SIGABRT NAME PASS STOP NOTIFY =========== ===== ===== ====== SIGABRT true false true 2018-02-27 12:57:25.284651+0800 xxx[58061:5651844] ********** Make a 'NSRangeException' now. ********** 2018-02-27 12:57:25.294945+0800 xxx[58061:5651844] *** Terminating app due to uncaught exception 'NSRangeException', reason: '*** -[__NSSingleObjectArrayI objectAtIndex:]: index 1 beyond bounds [0 .. 0]' 2018-02-27 12:57:25.888332+0800 xxx[58061:5651844] [signal handler] - handle signal: 6
示例代碼：
// 設置自定義信號處理函數
+ (void)setSignalHandler {
signal(SIGABRT, test_signal_handler);
}
static void test_signal_handler(int signo) {
NSLog(@"[signal handler] - handle signal: %d", signo);
}
// 構造NSRangeException異常，觸發SIGABRT信號發送
- (void)makeCrash {
NSLog(@"********** Make a 'NSRangeException' now. **********");
NSArray *array = @[ @"aaa" ];
}
2.2 LLDB Debugger
Xcode Debug模式運行App時，App進程signal被LLDB Debugger調試器捕獲；須要使用LLDB調試命令，將指定signal處理拋到用戶層處理，方便調試。
查看所有信號傳遞配置：
// process handle縮寫 pro hand
修改指定信號傳遞配置：
// option: // -P: PASS // -S: STOP // -N: NOTIFY pro hand -option false 信號名 // 例：SIGABRT信號處理在LLDB不中止，可繼續拋到用戶層 pro hand -s false SIGABRT
2.3 可重入
向內核發送信號時，進程可能執行到代碼的任意位置，例：進程在執行重要操做，中斷後可能產生不一致狀態，或進程正在處理另外一信號。所以要確保信號處理程序只執行可重入操做：
寫中斷處理程序時，假定中斷進程可能處於不可重入函數中。
慎重修改全局數據。
2.4 高級信號處理
signal()函數很是基礎，只提供了最低限度的信號管理的標準。而sigaction()系統調用，提供更強大的信號管理能力。當信號處理程序運行時，能夠用來阻塞特定信號的接收，也能夠用來獲取信號發送時各類操做系統和進程狀態的信息。
示例代碼：
// 設置自定義信號處理函數
+ (void)setSignalHandlerInAdvance {
struct sigaction act;
// 當sa_flags設爲SA_SIGINFO時，設定sa_sigaction來指定信號處理函數
act.sa_flags = SA_SIGINFO;
act.sa_sigaction = test_signal_action_handler;
sigaction(SIGABRT, &act, NULL);
}
static void test_signal_action_handler(int signo, siginfo_t *si, void *ucontext) {
NSLog(@"[sigaction handler] - handle signal: %d", signo);
// handle siginfo_t
NSLog(@"siginfo: {\n si_signo: %d,\n si_errno: %d,\n si_code: %d,\n si_pid: %d,\n si_uid: %d,\n si_status: %d,\n si_value: %d\n }",
si->si_signo,
si->si_errno,
si->si_code,
si->si_pid,
si->si_uid,
si->si_status,
si->si_value.sival_int);
}
3. 參考
Apple - Understanding and Analyzing Application Crash Reports
Apple - Runloop Programming Guard
Apple - Mach Overview
漫談iOS Crash收集框架
The LLDB Debugger
識別如下二維碼，閱讀更多幹貨
- 1. iOS Mach異常和signal信號
- 2. Linux下異常信號——Signal
- 3. linux 信號(signal)
- 4. 信號（signal）
- 5. signal 信號
- 6. Mach 常見異常類型
- 7. 淺析Linux下常見信號(Signal)
- 8. APUE 3 - 信號 （signal）: 可靠信號
- 9. Go信號gsignal和宿主Signal
- 10. python模塊之signal信號
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