深入解析Mac OS X & iOS 操作系统 学习笔记（六）

进程跟踪和调试

DTrace

DTrace中的“D”指的是D语言。这是一门完整的跟踪语言，通过这门语言可以创建专门的跟踪器（tracer）或者探测器（probe）

druss 工具是一个底层为DTrac的工具，允许跟踪系统调用时打印出C风格的形式，显示系统调用、参数及返回值。druss支持3种使用模式：

• 通过druss 允许一个进程：在druss 的参数后面指定命令参数
• 附加到某个正在允许的进程示例：在druss -p 参数指定进程的PID
• 附加到命名的进程：在druss -n 参数指定进程的名字

druss 的另一个有用的特性是能够自动锁定子进程（指定 -f 参数）
druss 还可以同时当场跟踪器和剖析器使用

进程信息

除了DTrace 之外，OS X 还提供了两个关键机制可以查看详细的进程信息

• sysctl：sysctl 提供了一些显示进程统计数据的变量
• proc_info：OS X 和 iOS 都提供了proc_info 系统调用。通过proc_info 可以查询进程和线程的很多信息

进程和系统快照

除了 DTrace 和 Instruments 之外，在 OS X 中还有一些工具能够获得系统或进程状态的“快照”（snapshot）

• system_profiler( )：图形工具
• sysdiagnose( )：是一个一站式的完美诊断工具
• allmemory( )：捕获用户进程的所有内存使用情况
• stackshot( )：可以获得进程执行状态的快照
• *stack_sanpshot系统调用：这个系统调用的参数是pid、一个返回快照的缓冲区、缓冲区大小以及一些参数。这个快照机制的实现细节会深入到Mach微内核中

kdebug

kdebug 是內建内核跟踪设施。默认是禁用的
OS X 提供了3个利用kdebug 设施的工具

• sc_usage：显示每一个进程的系统调用信息
• fs_usage：显示系统调用，但是显示的是与文件、套接字和目录相关的应用。可以显示系统范围内的跟踪（除非调用时提供了PID 或 命令参数）
• latency：显示中断和调度的延迟值。这个工具展示落在阈值内的上下文切换和中断处理程序技术，这两个分别可以通过-st 和 -it 参数设置

应用程序崩溃

大部分应用程序都可能会崩溃。在UNIX 中，崩溃和一个信号有关。崩溃的真正原因来自于内核，内核发现进程无法继续执行时，生成这个信号作为最后的补救方法

• 核心转储：当一个进程崩溃时，可以选择是否生成核心转储文件。这取决于进程的资源限制RLIMIT_CORE的设置。默认情况下是禁止的
• Crash Reporter：iOS 和 OS X 都没有选择创建巨大的核心转储文件，而是包含一个Crash Reporter，当进程异常终止（崩溃）时自动触发Crash Reporter生成详细的崩溃日志，保存在用户的Library/Logs/CrashReporter目录下或者系统的Library/Logs/CrashReporter目录下
• 修改Crash Repoerter 选项：如果安装了Xcode，那么可以在 /Developer/Application/Utilities 目录下找到一个名为CrashReporter的小程序。启动程序
• defaults( )：将DialogType 属性修改为basic、developer 或 server

内存破坏的bug

内存破坏是程序中常见的bug来源。应用程序崩溃的主要原因就是缓冲区溢出（既包含栈也包含堆）和堆内存的破坏。问题在于，在很多情况下，导致问题的代码和出现问题的代码相隔甚远，因此从出现bug到引发崩溃之间肯呢个会间隔数分钟甚至更长时间

• LibC中的内存保护：OS X 的LibC库高度可配置，malloc( ) 的手册页记录了可以控制内存分配行为的环境变量，如下表

环境变量	用途
MallocLogFile	设置malloc调试日志文件
MallocCheckHeapStart MallocCheckHeapEach MallocCheckHeapSleep/Abort	在MallocCheckHeapStart 次分配后，每隔MallocCheckHeapEach 次分配之后检查堆的一致性。如果发现堆不一致的情况，要么进入睡眠（允许调试），要么调用abort( )（通过SIGABRT 崩溃）
MallocErrorAbort MallocCorruptionAbort	发送任何错误时调用abort( )（即发送 SIGABRT 信号），或只有内存破坏时调用abort( )
MallocGuardEdges MallocDoNotProtectPrelude MallocDoNotProtectPostlude	在分配的大内存块之前（如果没有设置MallocDoNotProtectPrelude）和之后（如果没有设置MallocDoNotProtectPostlude）添加守护页
MallocScribble	在分配的内存中填满0xAA，在释放的内存中填满0x55
MallocStackLogging MallocStackLoggingNoCompact MallocStackLoggingDirectory	将malloc操作时所用的栈跟踪记录到/tmp(或 MallocStackLoggingDirectory 指定的目录)中。然后可以调用 leaks( ) 和 malloc_history( ) 之类的程序，后者要求设置MallocStackLoggingNoCompact

LibGMalloc：OS X 还提供了一个特殊的库libgmalloc.dylib，这个库可以截获并调试分配内存。这个强大的库的工作原理是截获LibSystem 中的分配函数，一旦挂上了目标函数，就可以很容易地将其替换为更复杂的替代品，从而对内存分配施加更多的限制，以期能够捕捉到导致崩溃的蛛丝马迹
具体来说，libgmalloc库提供了以下的技术

• 给么一个分配的内存块加上自定义的数据头，其中包含了关于分配详情的调试信息：这个数据头记录了分配时的线程ID 和 栈回溯，还带有一个常量值（魔数）0xDEADBEEF，这个常量值可以用于检测同一个缓冲区分配和解除分配的错误。
• 将内存块分配在自己专有的页面上，将相邻的页面设置为不可写（如果设置了MALLOC_ALLOW_READS），或者设置为完全不可访问：分配的内存块也放在其所在页面的尾部（除非设置了MALLOC_PROTECT_BEFORE）。这样做的结果就是任何读/写操作如果越过了缓冲区的尾部就会导致读写操作越过页边界，从而导致越过未处理的页错误，使得进程收到总线错误的信号（SIGBUS）而崩溃。设置MALLOC_PROTECT_BEFORE 环境变量会将这个保护行为翻转过来，即保护缓冲区之前不能被访问，而不是保护缓冲区后面
  -释放内存块时接触分配页面：在free( ) 释放内存块同时解除分配其所在页，这样的话，如果在释放的缓冲区上进行读写操作会导致总线错误

自动发生总线错误表示存在页面处理的 bug，一旦发生，就使得调试变得相对简单。将 gdb 附加到进程上，可以定位崩溃的位置，然后检查这个自定义的数据头，判断分配相关的问题，最后修复问题：要么修改缓冲区分配的参数。要么移除出错的操作

内存泄露

另外一个常见的bug 就是内存泄露。当程序员分配了内存或某个对象，但是忘记调用free( )释放内存或调用delete 删除对象时，就会发生能吃泄露。内存泄露的问题很难查找，因为内存泄露不会导致致命的bug 。而是慢慢地填满进程内存空间，因为一旦一个指针丢失了，在程序运行时，就再也无法回收这个指针指向的内存了。
Xcode 的 Instruments 工具提供了针对跟着内存分配和泄露的工具（如下图）

为内存调试而设计的Instruments 的界面.png

• heap( )：列出给定进程的堆中所有分配的缓冲区，使用很简单，只要传入PID或部分进程的名字即可。这个工具可以识别类的名字，所以对Objective-C 编译的二进制文件和依赖 CoreFundation 的库非常有用
• leaks( )：遍历进程的堆，检查可疑的内存泄露，对进程进行采样，生成一个分配但是没有释放的指针的报告
• malloc_history( )：malloc_history( ) 工具提供了进程中发生的每一次内存分配的详细数据，包括dyld( ) 进行的那些初始内存分配，要求设置 MallocStackLogging 和 MallocStackLoggingNoCompact 环境变量

标准 UNIX 工具

• **ps( ) **：可以显示进程列表
• top( ) 系统全局视图：获取当前系统运行状况的关键工具
• 通过lsof( ) 和 fuser( ) 进行文件诊断：lsof( ) 显示一个进程所有文件描述符（包括套接字）的映射; fuser( ) 提供一个反向的映射，从文件到用于这个文件的进程。主要作用的诊断文件锁定或者“文件被占用”的问题