获取任意线程调用栈的那些事

Posted 2020-08-06 bestswifter

BSBacktraceLogger 是一个轻量级的框架，可以获取任意线程的调用栈，开源在我的 GitHub，建议下载下来结合本文阅读。

我们知道 NSThread 有一个类方法 callstackSymbols 可以获取调用栈，但是它输出的是当前线程的调用栈。在利用 Runloop 检测卡顿时，子线程检测到了主线程发生卡顿，需要通过主线程的调用栈来分析具体是哪个方法导致了阻塞，这时系统提供的方法就无能为力了。

最简单、自然的想法就是利用 dispatch_async 或 performSelectorOnMainThread 等方法，回到主线程并获取调用栈。不用说也能猜到这种想法并不可行，否则就没有写作本文的必要了。

这篇文章的重点不是介绍获取调用栈的细节，而是在实现过程中的遇到的诸多问题和尝试过的解决方案。有的方案也许不能解决问题，但在思考的过程中能够把知识点串联起来，在我看来这才是本文最大的价值。

在介绍后续知识之前，有必要介绍一下调用栈的相关背景知识。

调用栈

首先聊聊栈，它是每个线程独享的一种数据结构。借用维基百科上的一张图片:

上图表示了一个栈，它分为若干栈帧(frame)，每个栈帧对应一个函数调用，比如蓝色的部分是 DrawSquare 函数的栈帧，它在执行的过程中调用了 DrawLine 函数，栈帧用绿色表示。

可以看到栈帧由三部分组成:函数参数，返回地址，帧内的变量。举个例子，在调用 DrawLine 函数时首先把函数的参数入栈，这是第一部分；随后将返回地址入栈，这表示当前函数执行完后回到哪里继续执行；在函数内部定义的变量则属于第三部分。

Stack Pointer(栈指针)表示当前栈的顶部，由于大部分操作系统的栈向下生长，它其实是栈地址的最小值。根据之前的解释，Frame Pointer 指向的地址中，存储了上一次 Stack Pointer 的值，也就是返回地址。

在大多数操作系统中，每个栈帧还保存了上一个栈帧的 Frame Pointer，因此只要知道当前栈帧的 Stack Pointer 和 Frame Pointer，就能知道上一个栈帧的 Stack Pointer 和 Frame Pointer，从而递归的获取栈底的帧。

显然当一个函数调用结束时，它的栈帧就不存在了。

因此，调用栈其实是栈的一种抽象概念，它表示了方法之间的调用关系，一般来说从栈中可以解析出调用栈。

失败的传统方法

最初的想法很简单，既然 callstackSymbols 只能获取当前线程的调用栈，那在目标线程调用就可以了。比如 dispatch_async 到主队列，或者 performSelector 系列，更不用说还可以用 Block 或者代理等方法。

我们以 UIViewController 的viewDidLoad 方法为例，推测它底层都发生了什么。

首先主线程也是线程，就得按照线程基本法来办事。线程基本法说的是首先要把线程运行起来，然后(如果有必要，比如主线程)启动 runloop 进行保活。我们知道 runloop 的本质就是一个死循环，在循环中调用多个函数，分别判断 source0、source1、timer、dispatch_queue 等事件源有没有要处理的内容。

和 UI 相关的事件都是 source0，因此会执行 __CFRunLoopDoSources0，最终一步步走到 viewDidLoad。当事件处理完后 runloop 进入休眠状态。

假设我们使用 dispatch_async，它会唤醒 runloop 并处理事件，但此时 __CFRunLoopDoSources0 已经执行完毕，不可能获取到 viewDidLoad 的调用栈。

performSelector 系列方法的底层也依赖于 runloop，因此它只是像当前的 runloop 提交了一个任务，但是依然要等待现有任务完成以后才能执行，所以拿不到实时的调用栈。

总而言之，一切涉及到 runloop，或者需要等待 viewDidLoad 执行完的方案都不可能成功。

信号

要想不依赖于 viewDidLoad 完成，并在主线程执行代码，只能从操作系统层面入手。我尝试了使用信号(Signal)来实现，

信号其实是一种软中断，也是由系统的中断处理程序负责处理。在处理信号时，操作系统会保存正在执行的上下文，比如寄存器的值，当前指令等，然后处理信号，处理完成后再恢复执行上下文。

因此从理论上来说，信号可以强制让目标线程停下，处理信号再恢复。一般情况下发送信号是针对整个进程的，任何线程都可以接受并处理，也可以用 pthread_kill() 向指定线程发送某个信号。

信号的处理可以用 signal 或者 sigaction 来实现，前者比较简单，后者功能更加强大。

比如我们运行程序后按下 Ctrl + C 实际上就是发出了 SIGINT 信号，以下代码可以在按下 Ctrl + C 时做一些输出并避免程序退出:

void sig_handler(int signum) {
    printf("Received signal %d\\n", signum);
}

void main() {
    signal(SIGINT, sig_handler);
}

遗憾的是，使用pthread_kill() 发出的信号似乎无法被上述方法正确处理，查阅各种资料无果后放弃此思路。但至今任然觉得这是可行的，如果有人知道还望指正。

Mach_thread

回忆之前对栈的介绍，只要知道 StackPointer 和 FramePointer 就可以完全确定一个栈的信息，那有没有办法拿到所有线程的 StackPointer 和 FramePointer 呢？

答案是肯定的，首先系统提供了 task_threads 方法，可以获取到所有的线程，注意这里的线程是最底层的 mach 线程，它和 NSThread 的关系稍后会详细阐述。

对于每一个线程，可以用 thread_get_state 方法获取它的所有信息，信息填充在 _STRUCT_MCONTEXT 类型的参数中。这个方法中有两个参数随着 CPU 架构的不同而改变，因此我定义了 BS_THREAD_STATE_COUNT 和 BS_THREAD_STATE 这两个宏用于屏蔽不同 CPU 之间的区别。

在 _STRUCT_MCONTEXT 类型的结构体中，存储了当前线程的 Stack Pointer 和最顶部栈帧的 Frame Pointer，从而获取到了整个线程的调用栈。

在项目中，调用栈存储在 backtraceBuffer 数组中，其中每一个指针对应了一个栈帧，每个栈帧又对应一个函数调用，并且每个函数都有自己的符号名。

接下来的任务就是根据栈帧的 Frame Pointer 获取到这个函数调用的符号名。

符号解析

就像 “把大象关进冰箱需要几步” 一样，获取 Frame Pointer 对应的符号名也可以分为以下几步:

1. 根据 Frame Pointer 找到函数调用的地址
2. 找到 Frame Pointer 属于哪个镜像文件
3. 找到镜像文件的符号表
4. 在符号表中找到函数调用地址对应的符号名

这实际上都是 C 语言编程问题，我没有相关经验，不过好在有前人的研究成果可以借鉴。感兴趣的读者可以直接阅读源码。

揭秘 NSThread

根据上述分析，我们可以获取到所有线程以及他们的调用堆栈，但如果想单独获取某个线程的堆栈呢？问题在于，如何建立 NSThread 线程和内核线程之间的联系。

再次 Google 无果后，我找到了 GNUStep-base 的源码，下载了 1.24.9 版本，其中包含了 Foundation 库的源码，我不能确保现在的 NSThread 完全采用这里的实现，但至少可以从 NSThread.m 类中挖掘出很多有用信息。

NSThread 的封装层级

很多文章都提到了 NSThread 是 pthread 的封装，这就涉及两个问题:

1. pthread 是什么
2. NSThread 如何封装 pthread

pthread 中的字母 p 是 POSIX 的简写，POSIX 表示 “可移植操作系统接口(Portable Operating System Interface)”。

每个操作系统都有自己的线程模型，不同操作系统提供的，操作线程的 API 也不一样，这就给跨平台的线程管理带来了问题，而 POSIX 的目的就是提供抽象的 pthread 以及相关 API，这些 API 在不同操作系统中有不同的实现，但是完成的功能一致。

Unix 系统提供的 thread_get_state 和 task_threads 等方法，操作的都是内核线程，每个内核线程由 thread_t 类型的 id 来唯一标识，pthread 的唯一标识是 pthread_t 类型。

内核线程和 pthread 的转换(也即是 thread_t 和 pthread_t 互转)很容易，因为 pthread 诞生的目的就是为了抽象内核线程。

说 NSThread 封装了 pthread 并不是很准确，NSThread 内部只有很少的地方用到了 pthread。NSThread 的 start 方法简化版实现如下:

- (void) start {
  pthread_attr_t    attr;
  pthread_t     thr;
  errno = 0;
  pthread_attr_init(&attr);
  if (pthread_create(&thr, &attr, nsthreadLauncher, self)) {
      // Error Handling
  }
}

甚至于 NSThread 都没有存储新建 pthread 的 pthread_t 标识。

另一处用到 pthread 的地方就是 NSThread 在退出时，调用了 pthread_exit()。除此以外就很少感受到 pthread 的存在感了，因此个人认为 “NSThread 是对 pthread 的封装” 这种说法并不准确。

PerformSelectorOn

实际上所有的 performSelector系列最终都会走到下面这个全能函数:

- (void) performSelector: (SEL)aSelector
                onThread: (NSThread*)aThread
              withObject: (id)anObject
           waitUntilDone: (BOOL)aFlag
                   modes: (NSArray*)anArray;

而它仅仅是一个封装，根据线程获取到 runloop，真正调用的还是 NSRunloop 的方法:

- (void) performSelector: (SEL)aSelector
          target: (id)target
        argument: (id)argument
           order: (NSUInteger)order
           modes: (NSArray*)modes{}

这些信息将组成一个 Performer 对象放进 runloop 等待执行。

NSThread 转内核 thread

由于系统没有提供相应的转换方法，而且 NSThread 没有保留线程的 pthread_t，所以常规手段无法满足需求。

一种思路是利用 performSelector 方法在指定线程执行代码并记录 thread_t，执行代码的时机不能太晚，如果在打印调用栈时才执行就会破坏调用栈。最好的方法是在线程创建时执行，上文提到了利用 pthread_create 方法创建线程，它的回调函数 nsthreadLauncher 实现如下:

static void *nsthreadLauncher(void* thread)
{
    NSThread *t = (NSThread*)thread;
    [nc postNotificationName: NSThreadDidStartNotification object:t userInfo: nil];
    [t _setName: [t name]];
    [t main];
    [NSThread exit];
    return NULL;
}

很神奇的发现系统居然会发送一个通知，通知名不对外提供，但是可以通过监听所有通知名的方法得知它的名字: @"_NSThreadDidStartNotification"，于是我们可以监听这个通知并调用 performSelector 方法。

一般 NSThread 使用 initWithTarget:Selector:object 方法创建。在 main 方法中 selector 会被执行，main 方法执行结束后线程就会退出。如果想做线程保活，需要在传入的 selector 中开启 runloop，详见我的这篇文章: 深入研究 Runloop 与线程保活。

可见，这种方案并不现实，因为之前已经解释过，performSelector 依赖于 runloop 开启，而 runloop 直到 main 方法才有可能开启。

回顾问题发现，我们需要的是一个联系 NSThread 对象和内核 thread 的纽带，也就是说要找到 NSThread 对象的某个唯一值，而且内核 thread 也具有这个唯一值。

观察一下 NSThread，它的唯一值只有对象地址，对象序列号(Sequence Number) 和线程名称:

<NSThread: 0x144d095e0>{number = 1, name = main}

地址分配在堆上，没有使用意义，序列号的计算没有看懂，因此只剩下 name。幸运的是 pthread 也提供了一个方法 pthread_getname_np 来获取线程的名字，两者是一致的，感兴趣的读者可以自行阅读 setName 方法的实现，它调用的就是 pthread 提供的接口。

这里的 np 表示 not POSIX，也就是说它并不能跨平台使用。

于是解决方案就很简单了，对于 NSThread 参数，把它的名字改为某个随机数(我选择了时间戳)，然后遍历 pthread 并检查有没有匹配的名字。查找完成后把参数的名字恢复即可。

主线程转内核 thread

本来以为问题已经圆满解决，不料还有一个坑，主线程设置 name 后无法用 pthread_getname_np 读取到。

好在我们还可以迂回解决问题: 事先获得主线程的 thread_t，然后进行比对。

上述方案要求我们在主线程中执行代码从而获得 thread_t，显然最好的方案是在 load 方法里:

static mach_port_t main_thread_id;
+ (void)load {
    main_thread_id = mach_thread_self();
}

总结

以上就是 BSBacktraceLogger 的全部分析，它只有一个类，400行代码，因此还算是比较简单。然而 NSThread、NSRunloop 以及 GCD 的源码着实值得反复研究、阅读。

完成一个技术项目往往最大的收获不是最后的结果，而是实现过程中的思考。这些走过的弯路加深了对知识体系的理解。

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参考资料

1. Call Stack
2. KSCrash
3. 深入理解RunLoop
4. iOS中线程Call Stack的捕获和解析（一）、iOS中线程Call Stack的捕获和解析（二）