iOS-查看线程调用栈

展示线程调用栈

首先看一下函数调用栈, 该图来自于 Wiki

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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。

思路

刚看到这个需求的时候, 想起来 iOS 中Thread.callstackSymbols可以获取到调用堆栈信息, 但是实施的时候发现不行, 有两个原因:

的确可以获取到堆栈信息, 但是没法得到预估时间.

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我们程序启动之后, 就会开启一个RunLoop(一个循环, 类似于如下代码), 我们UI刷新, CADisplayLink，CATransition，CAAnimation, GCD中的Main Queue也会放入主循环中. 其他线程, 以及其他事件会添加到其他的 runloop 中, 每一个线程都维护了自己的runloop, runloop 的调用顺序是source0、source1、timer、dispatch_queue, UI 相关都会放入source0(____CFRunLoopDoSources0__)中, 在一步步执行到Viewdidload()方法, 事件处理完毕之后陷入休眠, 等待事件唤醒, 这时候如果在子线程想打印主线程的信息就无法抓取到了, 因为已经执行完其他方法(都已经出栈了). performSelector也是发送了一个消息(事件), runloop 在执行. 所以不可行

int main(int argc, char * argv[]) {
     //程序一直运行状态
     while (AppIsRunning) {
          //睡眠状态，等待唤醒事件
          id whoWakesMe = SleepForWakingUp();
          //得到唤醒事件
          id event = GetEvent(whoWakesMe);
          //开始处理事件
          HandleEvent(event);
     }
     return 0;
}

主线程的栈信息:

graph TD
dyld[dyld, 存储了系统中动态链接库的位置, 快速查找] -->main.m(UIApplication/main.m)
main.m -->GraphicServices[GSEventRunModal/GraphicServices]
GraphicServices --> RunLoop[RunLoop]
RunLoop --> Event

RunLoop/包含CFRunLoopRunSpecific，__CFRunLoopRun，__CFRunLoopDoSouces0，CFRUNLOOP_IS_CALLING_OUT_TO_A_SOURCE0_PERFORM_FUNCTION

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实现思路

既然直接使用自带的Thread.callstackSymbols方法, 那么就需要另辟蹊径了, 回想一下我们开始看到的线程的调用栈, 我们每一个当前还未出栈的方法还未执行, 都是保存在栈里面的, 我们可以通过获取栈帧然后递归到栈底.

所以我们现在需要去拿到栈的指针(StackPointer)以及栈帧指针(FramePointer).

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.

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).

我们需要存储线程的StackPointer以及 顶部的FramePointer, 通过递归获取到整个调用栈.

根据栈帧的 Frame Pointer 获取到这个函数调用的符号名

这样我们的实现思路就是:

获取线程的StackPointer 以及 FramePointer
找到FramePointer属于哪一个镜像文件(.m)
获取镜像文件的符号表
在符号表中找到函数调用地址对应的符号名
return 到上一级调用函数的FramePointer, 重复第2步.
到达栈底, 退出.

NSThread

它是对pthread的面向对象表示.

pthread是(POSIX 的简写，POSIX 表示 “可移植操作系统接口(Portable Operating System Interface)").
NSThread的封装方式.

不同的操作会设计自己的线程模型, 所以底层 API 是不相同的, 但是 POSIX提供的pthread就是相当于对底层进行了一次封装, 让不同平台运行得到相同的效果.

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。

我们来看一下NSThread里面用到 pthread 的地方

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

NSThread并没有存储pthread_t的信息.

只有在exit()方法再次使用了pthread_exit().

我们来研究一下performSelector的实现, 它最终会调用

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

该方法只是一层封装, 用于获取线程RunLoop, 真正被调用是在RunLoop中的.

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

封装成Perfomer作为一个Event放入 Runloop 中等待执行.

了解到这里有什么用呢, 我们接着往下看(我们的目标是通过 NSThread 得到 pthread).

系统并没有提供转换的方法, 我们需要寻找其他的方式去实现.

hook住performSelector的执行, 然后在指定线程的代码部分保存thread_t, 执行代码的时机不能太晚, 在打印的调用栈的时候会破坏目前的结构, 最好是在创建的时候就执行, 从上方的代码可以看见pthread_create(&thr, &attr, nsthreadLauncher, self) 会执行nsthreadLauncher, 该方法的定义:

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;
}

惊喜的发现, 它会发送一个一个线程开始NSThreadDidStartNotification的通知, 然后监听这个通知去调用performSelector方法.

但是performSelector是基于runloop的, runloop 需要到main函数才有可能会开启(还有一点, 启动的线程一般在执行完事务之后就会退出销毁, 要做保活, 就需要传入runloop(循环)).

所以, 这个方向也无法解除, 既然无法转换, 那么我们可以找到NSThread和pthread共有的唯一属性吗?

打印NSThread

{number = 1, name = main}

有一个地址, 一个线程序号, 线程名称.

地址是堆区的, 线程序号不是很清楚, 最后只剩下名称, 是否名称是唯一的呢? 去尝试一下pthread_getname_np(pthread_t, UnsafeMutablePointer, Int)方法, 发现对应的名字是一样的(根据bestswifter文中所说, NSThread的setName方法也是直接调用 pthread 接口).

这样我们就可以通过NSThread 通过设置名字接口(记住是唯一的), 然后遍历所有的线程找到名字一样的线程在去获得StackPointer, FramePointer等关键信息.

阅读bestswifter文章的时候, 作者提到了一个坑

主线程修改名字之后是无法通过pthread_getname_np读取到的, 所以我们在之前就将值读取出来.

// 获取主线程
let main_thread_t = mach_thread_self()

详细代码

参考文章

铭神-RunLoop
bestswifter-BSBacktraceLogger
GNUStep-base 的源码

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思路

实现思路

NSThread

参考文章

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