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iOS Crash 分析攻略

简介: 应用崩溃是影响 APP 体验的重要一环, 而崩溃定位也常常让开发者头疼。本文就讲讲关于 Crash 分析的那些事。

原创 刘坤(念纪) 淘系技术  2020-07-09

Crash 日志的渠道



Crash 日志从哪来?一般有 2 个渠道:


  • 苹果收集的 Crash 日志
    • 用户手机上 设置 -> 隐私 -> 分析 里面的,可以连接电脑 Xcode 导出。
    • 在 Xcode -> Window -> Organizer -> Crashes 里面可以查看
  • 自己应用内收集的
    • 接入一些 APM 产品, 如 EMAS、mPaaS、phabricator 等。
    • 接入 PLCrashReporter 、 KSCrash 等 SDK 进行收集,上报到自建平台统计


两者各有利弊,但是二者的捕获原理是差不多的。


  • 苹果的日志
    • 优点: 理论上捕获类型最全,因为是 launchd 进程捕获的日志。
    • 缺点:不是全量日志,因为需要用户隐私授权才会上报,没有数据化支撑。
  • 自己收集的
    • 优点:可以自建数据化支撑,获取 Crash 率等指标。
    • 缺点:存在无法捕获的 Crash 的类型。


Crash 捕获的原理



要了解 Crash 捕获的原理,要先清楚几个基本概念,和它们之间的关系:


  • 软件异常 
    • 软件异常主要来源于两个 API 的调用 kill() 、 pthread_kill() , 而 iOS 中我们常常遇到的 NSException 未捕获、 abort()  函数调用等,都属于这种情况。比如我们常看到 Crash 堆栈中有 pthead_kill 方法的调用。
  • 硬件异常
    • 硬件产生的信号始于处理器 trap,处理器 trap 是平台相关的。比如我们遇到的野指针崩溃大部分是硬件异常。
  • Mach异常
    • 这里虽然叫异常,但是要和上面的两种分开来看。我们了解到苹果的内核 xnu 的核心是 Mach , 在 Mach 之上建立了 BSD 层。“Mach异常” 是 “Mach异常处理流程” 的简称。
  • UNIX信号
    • 这就是我们常说的信号了,如 SIGBUS  SIGSEGV SIGABRT SIGKILL 等。

image.png

软件产生的信号的处理流程如下图, 就是用户态的 “UNIX信号” 处理流程


image.png


硬件产生的信号的处理流程如下图:硬件错误被 Mach 层捕获,然后转换为对应的 “UNIX信号”。为了维护一个统一的机制,操作系统和用户产生的信号首先被转换为 "Mach异常",然后再转换为信号。如下图所示:


image.png

上面两图来自 “深入解析 Mac OS X & iOS 操作系统”一书。


由上图可以看到,无论是硬件产生的信号,还是软件产生的信号,都会走到 act_set_astbsd() 进而唤醒收到信号的进程的某一个线程。这个机制就给我们在“自身进程内捕获 Crash” 提供了可能性。就是可以通过拦截 “UNIX信号” 或 “Mach异常” 来捕获崩溃。


而且这里还有个小知识,当我们拦截信号处理之后是可以让程序不崩溃而继续运行的,但是不建议这样做,因为程序已经处于异常不可知状态。


PLCrashReporter  和 KSCrash 两个开源库都提供了 2 种方式拦截异常,包括 “Mach异常拦截” 和 “UNIX信号拦截”。说到这里有人可能困惑了,看上图里面最终都会转换为 “UNIX信号”, 是不是代表我们只用监听 “UNIX 信号” 就够了呢?为什么还要拦截 Mach 异常呢?


有两个原因:

  • 不是所有的 "Mach异常” 类型都映射到了 “UNIX信号”。 如 EXC_GUARD 。在苹果开源的 xnu 源码中可以看到这点。
  • “UNIX信号” 在崩溃线程回调,如果遇到 Stackoverflow 问题,已经没有条件(栈空间)再执行回调代码了。

那么,是不是我们只拦截 “Mach异常” 就够了呢?也不是,用户态的软件异常是直接走信号流程的,如果不拦截信号可能导致这部分 Crash 丢失。


附 “Mach异常” 与 “UNIX信号” 的转换关系代码,来自 xnu 中的 bsd/uxkern/ux_exception.c :


switch(exception) {
case EXC_BAD_ACCESS:
    if (code == KERN_INVALID_ADDRESS)
        *ux_signal = SIGSEGV;
    else
        *ux_signal = SIGBUS;
    break;

case EXC_BAD_INSTRUCTION:
    *ux_signal = SIGILL;
    break;

case EXC_ARITHMETIC:
    *ux_signal = SIGFPE;
    break;

case EXC_EMULATION:
    *ux_signal = SIGEMT;
    break;

case EXC_SOFTWARE:
    switch (code) {

    case EXC_UNIX_BAD_SYSCALL:
    *ux_signal = SIGSYS;
    break;
    case EXC_UNIX_BAD_PIPE:
    *ux_signal = SIGPIPE;
    break;
    case EXC_UNIX_ABORT:
    *ux_signal = SIGABRT;
    break;
    case EXC_SOFT_SIGNAL:
    *ux_signal = SIGKILL;
    break;
    }
    break;

case EXC_BREAKPOINT:
    *ux_signal = SIGTRAP;
    break;
}

看到这里,有同学可能会说,还有 NSException 呢?我们都用 NSUncaughtExceptionHandler 来捕获异常 Crash 的。在前面就将 c++/ObjC 异常归类到了“软件异常” 类型,那是不是“捕获信号”就行了呢?为什么还要注册 NSUncaughtExceptionHandler 呢?是因为 CrashReporter 需要通过这个 handler 来获取异常相关信息和堆栈。


image.png


看懂 Crash 日志



我们这里说的 Crash 日志,是指 Apple Format 格式的 全堆栈 Crash 日志。


 Crash 头部信息

  • Incident Identifier: 每个 Crash 生成的唯一的 uuid.
  • CrashReporter Key: CrashReporter 的 uuid, 如果自己捕获日志,这个可以忽略。
  • Hardware Model: 机型
  • Process: 进程名和进程ID
  • Path: 进程的可执行文件路径
  • Identifier: Info.plist 中配置的 CFBundleIdentifier 值
  • Version: CFBundleVersion (CFBundleVersionShort) 即应用的Build号+版本号
  • Code Type: 机型的 CPU 架构,但是不是详细的架构名。比如 arm64e 在这里也是 ARM-64
  • Parent Process: 父进程和进程ID
  • Data/Time: Crash发生的具体时间。
  • Launch Time: 进程启动时间
  • OS Version: iOS 系统版本和 build号
  • Report Version: Crash日志格式的版本号,一般是 104。如果这个version偏高,用系统的symbolicatecrash命令不能符号化日志,一般如果看到是204, 改成104之后用symbolicatecrash就可以符号化了


Crash 异常码



在 Crash 头部信息之下, 会有个段记录了 Crash 异常码。类似下图:

image.png


这里我们应该关注:

  • Exception Type: 异常码,一般格式是 Mach异常码 ( UNIX 信号类型 )
  • Exception Subtype: 一般情况里面带的是 Mach异常的 subcode, 还有 Crash 相关地址信息。
  • Triggered by Thread: 发生Crash的线程,大部分情况到这个线程的堆栈里面去看 Crash 堆栈。
  • Application Specific Information: 如果是 Objc/c++ Exception 异常,这里是异常的信息,这个是定位异常的关键信息
  • Last Exception Backtrace: 抛出异常的代码堆栈, 如果是 Objc/c++ Exception 异常造成的 Crash,就看这个堆栈,Crashed Thread: 里的堆栈是 abort(),没有意义。


附异常码的解释, 非所有异常码,只是我们 Crash 中可能会看到的 :


Mach 异常

UNIX 信号

简介

案例

EXC_BAD_ACCESS

SIGBUS

总线错误

1、内存地址对齐出错 2、试图执行没有执行权限的代码地址


SIGSEGV

段错误

1、访问未申请的虚拟内存地址

2、没有写权限的内存写入

EXC_BAD_INSTRUCTION

SIGILL

非法指令,即机器码指令不正确

1, iOS 上偶现的问题,遇到之后用户会连续闪退,直到应用二进制的缓存重新加载 或重启手机。此问题挺影响体验,但是报给苹果不认,因为苹果那边没有收集到,目前没有太好办法。因为 iOS 应用内无法对一篇内存同时获取 w+x 权限的,因此应用无法造成此类问题,所以判断是苹果的问题。

EXC_ARITHMETIC

SIGFPE

算术运算出错,比如除0错误

iOS 默认是不启用的,所以我们一般不会遇到

EXC_SOFTWARE (我们在 Crash 日志中一般不会看到这个类型,苹果的日志里会是 EXC_CRASH)

SIGSYS

系统调用异常


SIGPIPE

管道破裂

1, Socket通信是可能遇到,如读进程以及终止时,写进程继续写入数据。2, 根据苹果的文档,我们可以忽略这个信号: https://developer.apple.com/library/archive/documentation/NetworkingInternetWeb/Conceptual/NetworkingOverview/CommonPitfalls/CommonPitfalls.html 

SIGABRT

abort() 发生的信号

典型的软件信号,通过 pthread_kill() 发送

SIGKILL

9毫米子弹,大杀特杀。进程内无法拦截

1, exit(), kill(9) 等函数调用 2, iOS系统杀进程用的,比如 watchDog 杀进程

EXC_BREAKPOINT

SIGTRAP

由断点指令或其它trap指令产生

部分系统框架里面会用 __builtin_trap() 来产生一个 SIGTRAP 类型的 Crash

EXC_GUARD

文件句柄错误

试图 close 一个内核的 fd.

EXC_RESOURCE

资源受限

线程调度太频繁,子线程每秒被唤醒次数超过150: https://stackoverflow.com/questions/25848441/app-shutdown-with-exc-resource-wakeups-exception-on-ios-8-gm


 Crash 堆栈


下面一张图介绍了 Crash 堆栈中每个段的含义:

image.png


▐  Thread State


Thread State 中记录了 Crash 线程的寄存器的值,对于一些问题的定位是有一定帮助的。


image.png


比如通过 fp, sp 的值配合 异常码 中的地址判断是否是栈溢出问题。但是大部分情况下,这块内容可以提供的帮助都比较小,因为都是单纯的数值,而不是其代表的:意义。在这一点上, KSCrash 提供了分析功能, 可以对寄存器内值的意义进一步分析,比如分析是不是一个 ObjC 的对象,分析string的内容,可以帮助我们对Crash进一步分析,因为 Crash 现场如果能拿到更多的信息,对于定位 Crash 的帮助可能是很大的,这个功能是很赞的。


一个简单的 Case: 当 ObjC 对象野指针时,调用它的任何方法都会 Crash, 而往往野指针问题不太容易快速定位野的对象是什么, 但是我们可以通过分析 x1 的值,也就是最后调用它的 @selector 再结合代码就很容易定位出野掉的对象是谁了。


 Binary Images


Binary Images 中记录了进程加载的所有镜像列表, 这块内容是符号化 Crash 日志的关键,符号化的原理就是通过这里的镜像 UUID 来找到对应镜像的符号化文件从而进行对堆栈的符号化工作的。


镜像起始地址     镜像结束地址      镜像名       架构                镜像uuid                             镜像完整路径
0x1815b8000 - 0x181c73fff libobjc.A.dylib arm64  <5f420cdc6f593721a9cf0464bd87e1a2> /usr/lib/libobjc.A.dylib


读这段内容在 Crash 定位时也是有帮助的,比如:

  • 我们可以根据是否有加载越狱的动态库来判断设备是否越狱
  • 有些越狱设备会更改 iOS 系统版本号,也可以通过 uuid 来判断是否是有此种行为。


Crash 分析方法



在了解了上面基本知识后,我们已经具备一定的定位 Crash 的能力了。然而光有理论知识,也还要有实战工具。


 符号化


关于堆栈符号化的文章可以说是很多了,但是既然叫攻略,这里还是讲一下吧。


  • Xcode 自动符号化

苹果收集的日志,Xcode会自动帮我们符号化,如果你没有发布包,比如是别人电脑打包的发布包,或者是一些平台上打的包,只需要你把 xcarchive  拷贝到 $HOME/Library/Developer/Xcode/Archives 目录下之后,Xcode 就可以自动帮你符号化了。


  • 手动符号化之 symbolicatecrash

Xcode 自带了一个命令行工具 symbolicatecrash , 在 /Applications/Xcode.app/Contents/SharedFrameworks/DVTFoundation.framework/Versions/A/Resources/symbolicatecrash , 这个工具可以帮助我们将整个 Crash 日志符号化:


# 这两行可以写到 ~/.bash_profile 里面,这样不用每次敲了
export DEVELOPER_DIR=/Applications/Xcode.app/Contents/Developer/
alias symbolicatecrash="/Applications/Xcode.app/Contents/SharedFrameworks/DVTFoundation.framework/Versions/A/Resources/symbolicatecrash"

# 执行符号化
symbolicatecrash [原始CrashLog路径] [dSYM文件路径或待符号的.app路径] > [导出符号化的文件路径]


使用 symbolicatecrash ,如果要符号化系统库的堆栈的话,需要有对应系统库的符号表放到 $HOME/Library/Developer/Xcode/iOS DeviceSupport 目录下面。符号表的获取可以通过插入对应系统版本的手机,或者从别人那拷贝获取。


  • atos 单行符号化


在了解了 3.3 中的堆栈的信息后,我们也可以使用 atos 命令来对 单行或多行 的堆栈进行符号化操作。


使用方法:



atos -o [镜像的DWAF文件地址] -l [镜像的起始地址] [堆栈内存地址1] [堆栈内存地址2] ...

 汇编定位法


因为 iOS 上的 Native 代码都会被编译为机器码,且 Crash 堆栈中的很多信息其实是二进制上的内容,哪怕我们符号化了,但是经过编译器的翻译,有时候也无法通过符号化之后匹配到的代码行来定位最精确的原因。因为一行源代码可能包含很多逻辑而被编译为大段汇编,或者编译优化将多行代码合并优化等操作。


所以,有时候 Crash 定位就需要我们进阶版的 汇编定位法 。当然要学习汇编定位法可能需要一定的基础知识,比如看懂一些基础的汇编指令,可以通过学习和练习来提高,推荐一下一篇旧文: https://blog.cnbluebox.com/blog/2017/07/24/arm64-start/


汇编定位法,还需要一个反汇编的工具。


  • 推荐使用 Hopper Disassembler 工具,这是个收费工具
  • 将二进制文件拖进工具就可以了


  • 也可以用 mac 自带的 otool 命令
  • otool -tV 二进制文件


  • Xcode 本身自带汇编调试
  • Xcode -> Debug -> Debug Workflow -> Always Show Disassmbly


Tips: 二进制就是我们工程编译的可执行文件、动态库。系统库的二进制可以在 $HOME/Library/Developer/Xcode/iOS DeviceSupport/ 中找到。dylib 在 Symbols/usr/lib 目录 ,动态库在 Symbols/System/Library/Frameworks 目录。


工具准备好了之后,怎么定位到具体位置呢,还是回到 3.3 节中的图,“代码在镜像中的偏移” 我们就根据这个信息进行查找就可以找到对应的汇编行了。

符号化的堆栈,无法直接看到“代码在镜像中的偏移”,我们可以自己减一下就行了。


一个例子:


  • Crash堆栈

image.png


  • 找到 VideoToolbox 的镜像起始地址

image.png


  • 找到 VideoToolbox 的镜像,拖到 Hopper

image.png


  • 算出“代码偏移”

因为 VideoToolbox 是系统库,放在 dyld_shared_cache 里面的,所以它镜像的文件地址也不是 0x0, 所以这里计算时候要加上 0x1848a2000, 我们自己打的动态库一般不存在这个。

image.png


  • 对应的代码行

image.png


注意,这里 0x184900618 虽然是 orr 这一行,但其实是 0x184900614 这一行,因为这是 iOS 堆栈采集的原理所决定的(取lr),除了 frame 0 的堆栈地址是最后崩溃的地址,frame 序号 大于0的地址都是实际地址的下一行。


 现场勘探法


这是基于汇编法的基础上的一种分析方法。会了汇编分析之后,可能发现定位到了具体的汇编行,有时候问题还是较难分析,因为我们只拿到了代码信息,而运行时的各种状态都是丢失的。


现场勘探法,就是我们使用 Xcode 调试应用,断点到 Crash 地方附近,哪怕是我们线下无法复现的 Crash, 我们也可以到现场去看下正常情况的 栈、寄存器是怎么样的,再对比 Crash 日志中的信息,就可以推断出哪里出了问题。


打断点的方法:


  • 符号断点
    image.png
  • 地址断点
    • 通过 image list 读取加载的镜像,获取镜像的起始地址,然后就可以算出代码地址
    • 使用 br set -a 0x184900618 这样的指令来设置地址断点。



小结



本文主要从 Crash 日志渠道、Crash 捕获的原理、看懂 Crash 日志、Crash分析方法 等角度向大家普及下 Crash 原理及分析的思路。


其中讲到的知识点有:Mach异常、UNIX信号、常见 Crash 错误码、Mach-O、汇编等。


Crash 定位的过程是不断追溯 Crash 现场发生了什么的过程,通过对 Crash 日志的原理和内容的深入了解,可以帮助我们更快更好的定位应用崩溃问题。

然而现实中可能还是会有些疑难的 Crash 不易定位,是因为 Crash 日志其实也并未保存了 Crash 现场最全的信息,更进一步的优化就是丰富 Crash 日志的信息,让我们获取更多的 Crash 现场信息, 比如 KSCrash 这个框架在这块做了一些努力。这些开源项目的代码是值得学习的。



参考&引用&拓展阅读

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