iOS Mach异常和signal信号分析

这篇文章主要讲解了“iOS Mach异常和signal信号分析”，文中的讲解内容简单清晰，易于学习与理解，下面请大家跟着小编的思路慢慢深入，一起来研究和学习“iOS Mach异常和signal信号分析”吧！

1. iOS Mach异常 

1.1 XNU 

Darwin是Mac OS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_profiler SPSoftwareDataType 

1.2 Mach 

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Mach Message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mach message 
mach_msg(); 

下述代码模拟向Mach Port发送Message，接收Message后做处理： 
  ● 首先调用createPortAndAddListener创建Mach Port； 
  ● 调用sendMachPortMessage:向已创建的Mach Port发送消息； 
  ● 执行结果示例： 
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 
  ● 示例代码： 
// 创建Mach Port并监听消息 
+ (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发送消息 
+ (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： 
2018-02-27 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 
  ● 示例代码： 
+ (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]; 
} 

// 构造BAD MEM ACCESS Crash 
- (void)makeCrash { 
  NSLog(@"********** Make a [BAD MEM ACCESS] now. **********"); 
  *((int *)(0x1234)) = 122; 
} 

1.5 Runloop 

Mach Port的应用不止于内核级别，在Cocoa Foundation和Core Foundation层同样有其应用，比如说：Runloop。 

Runloop sources分两类： 
1.Input sources 
Port-Based sources 
Custom Input sources 

2.Timer sources 
其中Port-Based sources即基于Mach Port，在Runloop中完成消息传递。 
上述的Mach API为内核层透出接口，Cocoa Foundation和Core Foundation层分别封装了Mach Port的接口供调用，参考：Apple - Runloop Programming Guard，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Android Native Crash。 

2.1 signal注册和处理 
signal（） 
   #import<sys/signal.h>; 

注册signal handler； 
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】：Xcode Debug运行时，添加断点，在Crash触发前，执行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 
  ● 示例代码： 
// 设置自定义信号处理函数 
+ (void)setSignalHandler { 
    signal(SIGABRT, test_signal_handler); 
} 

static void test_signal_handler(int signo) { 
    NSLog(@"[signal handler] - handle signal: %d", signo); 
} 

// 构造NSRangeException异常，触发SIGABRT信号发送 
- (void)makeCrash { 
  NSLog(@"********** Make a 'NSRangeException' now. **********"); 
  NSArray *array = @[ @"aaa" ]; 
} 

2.2 LLDB Debugger 

Xcode Debug模式运行App时，App进程signal被LLDB Debugger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： 
// process handle缩写 
pro hand 
  ● 修改指定信号传递配置： 
// option: 
//   -P: PASS 
//   -S: STOP 
//   -N: NOTIFY 
pro hand -option false 信号名 

// 例：SIGABRT信号处理在LLDB不停止，可继续抛到用户层 
pro hand -s false SIGABRT 

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 { 
    struct sigaction act; 
    // 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); 
} 

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); 
} 

感谢各位的阅读，以上就是“iOS Mach异常和signal信号分析”的内容了，经过本文的学习后，相信大家对iOS Mach异常和signal信号分析这一问题有了更深刻的体会，具体使用情况还需要大家实践验证。这里是编程网，小编将为大家推送更多相关知识点的文章，欢迎关注！