iOS Mach异常和signal信号

摘要： 本着探究下iOS Crash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

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本着探究下iOS Crash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. 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);
}

3. 参考
  ● Apple - Understanding and Analyzing Application Crash Reports
  ● Apple - Runloop Programming Guard
  ● Wiki - Mach
  ● Apple - Mach Overview
  ● 漫谈iOS Crash收集框架
  ● The LLDB Debugger

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