iOS Mach异常和signal信号
摘要：本着探究下iOSCrash捕获的目的，学习了下Crash捕获相关的Mach异常和signal信号处理，记录下相关内容，并提供对应的测试示例代码。Mach为XNU的微内核，Mach异常为最底层的内核级异常，在iOS系统中，底层Crash先触发Mach异常，然后再转换为对应的signal信号。
作者：阿里云-移动云-大前端团队
原文链接：http://click.aliyun.com/m/43672/
本着探究下iOSCrash捕获的目的，学习了下Crash捕获相关的Mach异常和signal信号处理，记录下相关内容，并提供对应的测试示例代码。Mach为XNU的微内核，Mach异常为最底层的内核级异常，在iOS系统中，底层Crash先触发Mach异常，然后再转换为对应的signal信号。
1.iOSMach异常
1.1XNU
Darwin是MacOS和iOS的操作系统，而XNU是Darwin操作系统的内核部分。XNU是混合内核，兼具宏内核和微内核的特性，而Mach即为其微内核。
Darwin操作系统和MacOS、iOS系统版本号的对应如上图所示，Mac可执行下述命令查看Darwin版本号。
system_profilerSPSoftwareDataType
1.2Mach
Mach:[mʌk]，操作系统微内核，是许多新操作系统的设计基础。
Mach微内核中有几个基础概念：
Tasks，拥有一组系统资源的对象，允许"thread"在其中执行。
Threads，执行的基本单位，拥有task的上下文，并共享其资源。
Ports，task之间通讯的一组受保护的消息队列；task可对任何port发送/接收数据。
Message，有类型的数据对象集合，只可以发送到port。
1.3模拟MachMessage发送
●Mach提供少量API，苹果文档介绍较少。
//内核中创建一个消息队列，获取对应的port
mach_port_allocate();
//授予task对port的指定权限
mach_port_insert_right();
//通过设定参数：MACH_RSV_MSG/MACH_SEND_MSG用于接收/发送machmessage
mach_msg();
下述代码模拟向MachPort发送Message，接收Message后做处理：
●首先调用createPortAndAddListener创建MachPort；
●调用sendMachPortMessage:向已创建的MachPort发送消息；
●执行结果示例：
2018-02-2709:33:37.797435+0800xxx[54456:5198921]createaport:41731
2018-02-2709:33:37.797697+0800xxx[54456:5198921]Sendamachmessage:[100].
2018-02-2709:33:37.797870+0800xxx[54456:5199525]Receiveamachmessage:[100],remote_port:0,local_port:41731,exceptioncode:28672
●示例代码：
//创建MachPort并监听消息
+(mach_port_t)createPortAndAddListener{
mach_port_tserver_port;
kern_return_tkr=mach_port_allocate(mach_task_self(),MACH_PORT_RIGHT_RECEIVE,&server_port);
assert(kr==KERN_SUCCESS);
NSLog(@"createaport:%d",server_port);
kr=mach_port_insert_right(mach_task_self(),server_port,server_port,MACH_MSG_TYPE_MAKE_SEND);
assert(kr==KERN_SUCCESS);
[selfsetMachPortListener:server_port];
returnserver_port;
}
+(void)setMachPortListener:(mach_port_t)mach_port{
dispatch_async(dispatch_get_global_queue(DISPATCH_QUEUE_PRIORITY_DEFAULT,0),^{
mach_messagemach_message;
mach_message.Head.msgh_size=1024;
mach_message.Head.msgh_local_port=server_port;
mach_msg_return_tmr;
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_tmsg_id=mach_message.Head.msgh_id;
mach_port_tremote_port=mach_message.Head.msgh_remote_port;
mach_port_tlocal_port=mach_message.Head.msgh_local_port;
NSLog(@"Receiveamachmessage:[%d],remote_port:%d,local_port:%d,exceptioncode:%d",
msg_id,
remote_port,
local_port,
mach_message.exception);
abort();
}
});
}
//向指定MachPort发送消息
+(void)sendMachPortMessage:(mach_port_t)mach_port{
kern_return_tkr;
mach_msg_header_theader;
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(@"Sendamachmessage:[%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捕获Mach异常
●task_set_exception_ports()设置内核接收Mach异常消息的Port，替换为自定义的Port后，即可捕获程序执行过程中产生的异常消息。
●执行结果示例：
2018-02-2709:52:11.483076+0800xxx[55018:5253531]createaport:23299
2018-02-2709:52:14.484272+0800xxx[55018:5253531]**********Makea[BADMEMACCESS]now.**********
2018-02-2709:52:14.484477+0800xxx[55018:5253611]Receiveamachmessage:[2405],remote_port:23555,local_port:23299,exceptioncode:1
●示例代码：
+(void)createAndSetExceptionPort{
mach_port_tserver_port;
kern_return_tkr=mach_port_allocate(mach_task_self(),MACH_PORT_RIGHT_RECEIVE,&server_port);
assert(kr==KERN_SUCCESS);
NSLog(@"createaport:%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);
[selfsetMachPortListener:server_port];
}
//构造BADMEMACCESSCrash
-(void)makeCrash{
NSLog(@"**********Makea[BADMEMACCESS]now.**********");
*((int*)(0x1234))=122;
}
1.5Runloop
MachPort的应用不止于内核级别，在CocoaFoundation和CoreFoundation层同样有其应用，比如说：Runloop。
Runloopsources分两类：
1.Inputsources
Port-Basedsources
CustomInputsources
2.Timersources
其中Port-Basedsources即基于MachPort，在Runloop中完成消息传递。
上述的MachAPI为内核层透出接口，CocoaFoundation和CoreFoundation层分别封装了MachPort的接口供调用，参考：Apple-RunloopProgrammingGuard，有详细的示例代码。
2.signal信号
signal是一种软中断信号，提供异步事件处理机制。signal是进程间相互传递信息的一种粗糙方法，使用场景：
进程终止相关；
终端交互；
编程错误或硬件错误相关，系统遇到不可恢复的错误时触发崩溃机制让程序退出，比如：除0、内存写入错误等。
这里我们主要考虑系统遇到不可恢复的错误时即Crash时，信号相关的应用。signal信号处理是UNIX操作系统机制，所以Android平台理论上也是使用的，可以基于signal来捕获AndroidNativeCrash。
2.1signal注册和处理
signal（）
#import<sys/signal.h>;
注册signalhandler；
调用成功时，会移除signo信号当前的操作，以handler指定的新信号处理程序替代；
信号处理函数返回void，因为没有地方给该函数返回。注册自定义信号处理函数，构造Crash后，发出信号并执行自定义信号处理逻辑。
【附】：XcodeDebug运行时，添加断点，在Crash触发前，执行prohand-ptrue-sfalseSIGABRT命令。
(lldb)prohand-ptrue-sfalseSIGABRT
NAMEPASSSTOPNOTIFY
===========================
SIGABRTtruefalsetrue
2018-02-2712:57:25.284651+0800xxx[58061:5651844]**********Makea'NSRangeException'now.**********
2018-02-2712:57:25.294945+0800xxx[58061:5651844]***Terminatingappduetouncaughtexception'NSRangeException',reason:'***-[__NSSingleObjectArrayIobjectAtIndex:]:index1beyondbounds[0..0]'
2018-02-2712:57:25.888332+0800xxx[58061:5651844][signalhandler]-handlesignal:6
●示例代码：
//设置自定义信号处理函数
+(void)setSignalHandler{
signal(SIGABRT,test_signal_handler);
}
staticvoidtest_signal_handler(intsigno){
NSLog(@"[signalhandler]-handlesignal:%d",signo);
}
//构造NSRangeException异常，触发SIGABRT信号发送
-(void)makeCrash{
NSLog(@"**********Makea'NSRangeException'now.**********");
NSArray*array=@[@"aaa"];
}
2.2LLDBDebugger
XcodeDebug模式运行App时，App进程signal被LLDBDebugger调试器捕获；需要使用LLDB调试命令，将指定signal处理抛到用户层处理，方便调试。
●查看全部信号传递配置：
//processhandle缩写
prohand
●修改指定信号传递配置：
//option:
//-P:PASS
//-S:STOP
//-N:NOTIFY
prohand-optionfalse信号名
//例：SIGABRT信号处理在LLDB不停止，可继续抛到用户层
prohand-sfalseSIGABRT
2.3可重入
向内核发送信号时，进程可能执行到代码的任意位置，例：进程在执行重要操作，中断后可能产生不一致状态，或进程正在处理另一信号。因此要确保信号处理程序只执行可重入操作：
●写中断处理程序时，假定中断进程可能处于不可重入函数中。
●慎重修改全局数据。
2.4高级信号处理
signal()函数非常基础，只提供了最低限度的信号管理的标准。而sigaction()系统调用，提供更强大的信号管理能力。当信号处理程序运行时，可以用来阻塞特定信号的接收，也可以用来获取信号发送时各种操作系统和进程状态的信息。
●示例代码：
//设置自定义信号处理函数
+(void)setSignalHandlerInAdvance{
structsigactionact;
//当sa_flags设为SA_SIGINFO时，设定sa_sigaction来指定信号处理函数
act.sa_flags=SA_SIGINFO;
act.sa_sigaction=test_signal_action_handler;
sigaction(SIGABRT,&act,NULL);
}
staticvoidtest_signal_action_handler(intsigno,siginfo_t*si,void*ucontext){
NSLog(@"[sigactionhandler]-handlesignal:%d",signo);
//handlesiginfo_t
NSLog(@"siginfo:{\nsi_signo:%d,\nsi_errno:%d,\nsi_code:%d,\nsi_pid:%d,\nsi_uid:%d,\nsi_status:%d,\nsi_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);
}
3.参考
●Apple-UnderstandingandAnalyzingApplicationCrashReports
●Apple-RunloopProgrammingGuard
●Wiki-Mach
●Apple-MachOverview
●漫谈iOSCrash收集框架
●TheLLDBDebugger
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