任務(wù)Mach-Task

描述：一個(gè)機(jī)器無(wú)關(guān)的thread的執(zhí)行環(huán)境抽象
作用：task可以理解為一個(gè)進(jìn)程，包含它的線程列表
結(jié)構(gòu)體：
task_threads
task_threads將traget_task任務(wù)下的所有線程保存在act_list數(shù)組中，數(shù)組個(gè)數(shù)為act_listCnt

kern_return_t task_threads
(
  task_t traget_task,
  thread_act_array_t *act_list,                     //線程指針列表
  mach_msg_type_number_t *act_listCnt  //線程個(gè)數(shù)
)

thread_info線程信息

kern_return_t thread_info
(
  thread_act_t target_act,
  thread_flavor_t flavor,
  thread_info_t thread_info_out,
  mach_msg_type_number_t *thread_info_outCnt
);

如何獲取線程的堆棧數(shù)據(jù)
1.所有線程：調(diào)用內(nèi)核API函數(shù)task_threads獲取指定task線程列表，即act_list
2.指定線程：調(diào)用API函數(shù)thread_info獲得對(duì)應(yīng)線程信息thread_info
3.線程信息：調(diào)用thread_get_state獲得指定線程上下問(wèn)信息_STRUCT_MCONTEXT。thread_get_stateAPI兩個(gè)參數(shù)隨著cpu架構(gòu)不同而改變。_STRUCT_MCONTEXT結(jié)構(gòu)存儲(chǔ)當(dāng)前線程棧頂指針（sp）和最頂部的棧幀指針（frame pointer），從而獲得整個(gè)線程的調(diào)用棧`。

函數(shù)調(diào)用棧原理

指令指針

指令指針IP：指令寄存器存儲(chǔ)，指向處理器下條等待執(zhí)行的指令地址（代碼內(nèi)的偏移量），每次執(zhí)行完 IP會(huì)增加
堆棧棧頂指針SP：堆棧指令寄存器存儲(chǔ)，系統(tǒng)棧的棧頂?shù)刂?/li>
棧幀指針FP：棧幀基址指令寄存器存儲(chǔ)，每個(gè)棧幀都有一個(gè)對(duì)應(yīng)的棧幀基地址，局部變量和函數(shù)參數(shù)都可以通過(guò)FP確定，因?yàn)樗鼈兊紽P的距離不會(huì)受到壓棧和出棧操作影響。

為了訪問(wèn)函數(shù)局部變量，必須能定位每個(gè)變量。局部變量相對(duì)于堆棧指針SP的位置在進(jìn)入函數(shù)時(shí)就已確定，理論上變量可用SP加偏移量來(lái)引用，但SP會(huì)在函數(shù)執(zhí)行期隨變量的壓棧和出棧而變動(dòng)。盡管某些情況下編譯器能跟蹤棧中的變量操作以修正偏移量，但要引入可觀的管理開(kāi)銷。而且在有些機(jī)器上(如Intel處理器)，用SP加偏移量來(lái)訪問(wèn)一個(gè)變量需要多條指令才能實(shí)現(xiàn)，由此設(shè)計(jì)了棧幀指針FP，FP兩側(cè)分別記錄函數(shù)參數(shù)，及局部變量。

函數(shù)調(diào)用棧內(nèi)部布局
棧幀：函數(shù)（運(yùn)行中且未完成）占用的一塊獨(dú)立的連續(xù)內(nèi)存區(qū)域。
函數(shù)調(diào)用通常是嵌套的，當(dāng)調(diào)用函數(shù)時(shí)邏輯棧幀被壓入堆棧, 當(dāng)函數(shù)返回時(shí)邏輯棧幀被從堆棧中彈出。棧幀存放著函數(shù)參數(shù)，局部變量及恢復(fù)前一棧幀所需要的數(shù)據(jù)等。

編譯器利用棧幀，使得函數(shù)參數(shù)和函數(shù)中局部變量的分配與釋放對(duì)程序員透明。編譯器將控制權(quán)移交函數(shù)本身之前，插入特定代碼將函數(shù)參數(shù)壓入棧幀中，并分配足夠的內(nèi)存空間用于存放函數(shù)中的局部變量。使用棧幀的一個(gè)好處是使得遞歸變?yōu)榭赡?，因?yàn)閷?duì)函數(shù)的每次遞歸調(diào)用，都會(huì)分配給該函數(shù)一個(gè)新的棧幀，這樣就巧妙地隔離當(dāng)前調(diào)用與上次調(diào)用。

棧幀的邊界由棧幀基地址指針EBP和堆棧指針ESP界定(指針存放在相應(yīng)寄存器中)。EBP指向當(dāng)前棧幀底部(高地址)，在當(dāng)前棧幀內(nèi)位置固定；ESP指向當(dāng)前棧幀頂部(低地址)，當(dāng)程序執(zhí)行時(shí)ESP會(huì)隨著數(shù)據(jù)的入棧和出棧而移動(dòng)。因此函數(shù)中對(duì)大部分?jǐn)?shù)據(jù)的訪問(wèn)都基于EBP進(jìn)行。

函數(shù)出入棧過(guò)程

BP棧幀指針地址：間隔被調(diào)用函數(shù)（局部變量?jī)?nèi)存空間）和調(diào)用函數(shù)（被調(diào)函數(shù)參數(shù)，調(diào)用函數(shù)地址，指令指針）
BP棧幀指針值：上一個(gè)棧幀的地址值，便于被調(diào)函數(shù)釋放后，回到調(diào)用函數(shù)
BP棧幀入棧時(shí)機(jī)：函數(shù)被調(diào)用，申請(qǐng)內(nèi)存空間來(lái)存儲(chǔ)前一個(gè)棧幀的地址值

函數(shù)調(diào)用棧內(nèi)部布局.png

從圖中可以看出，函數(shù)調(diào)用時(shí)入棧順序?yàn)椋?br> 實(shí)參N-1→主調(diào)函數(shù)返回地址→主調(diào)函數(shù)幀基指針EBP→被調(diào)函數(shù)局部變量1-N 。
注意：內(nèi)存地址降序

函數(shù)定義

caller(主調(diào)函數(shù)，紫色)
callee(被調(diào)函數(shù)，藍(lán)色)

入棧過(guò)程

1.caller未調(diào)用callee，內(nèi)存分布如下：
EBP:caller EBP
ESP:caller的LocalVariables
2.caller調(diào)用callee
callee函數(shù)的參數(shù)入棧（由caller提供）
caller的函數(shù)地址(vm_add)， EIP入棧(代碼偏移量offset)。備注：代碼位置=vm_add+offset
3.callee棧幀指針入棧
申請(qǐng)棧幀指針空間
存儲(chǔ)caller的棧幀指針地址
4.申請(qǐng)callee局部變量空間
為局部變量申請(qǐng)足夠的內(nèi)存空間
Local Variable#1,Local Variable#2,Local Variable#3...Local Variable#n
EBP:callee的EBP
ESP:Local Variable#n

出棧過(guò)程

1.callee調(diào)用完畢
callee局部變量空間釋放
EBP:callee ebp -> caller ebb
ESP:caller ebp
2.caller函數(shù)執(zhí)行復(fù)原
代碼執(zhí)行復(fù)原：ip+return address = 代碼位置
callee函數(shù)空間釋放：Argumne #1,Argumne #2,...,Argumne #1n
EBP:caller ebb
ESP:caller Load Variables

函數(shù)調(diào)用地址獲取

獲取thread
API函數(shù)task_thread獲取線程數(shù)組地址及線程個(gè)數(shù)
API函數(shù)task_thread聲明

kern_return_t task_threads
(
  task_t traget_task,
  thread_act_array_t *act_list,   //線程指針列表
  mach_msg_type_number_t *act_listCnt  //線程個(gè)數(shù)
)

使用代碼

thread_act_array_t threads;
mach_msg_type_number_t thread_count=0;
task_threads(mach_task_self(),  &thrads, &thread_count);

thread的內(nèi)存上下文
API函數(shù)thread_get_state獲取內(nèi)存上下文，上下文信息存儲(chǔ)在_struct_mcontext結(jié)構(gòu)體內(nèi)

kern_return_t thread_get_state
(
    thread_act_t target_act,  //thread
    thread_state_flavor_t flavor,
    thread_state_t old_state, 
    mach_msg_type_number_t *old_stateCnt
);

備注:target_act和old_stateCnt配套使用，與cpu類型相關(guān)

使用代碼

bool fillThreadStateIntoMachineContext(thread_t thread, _STRUCT_MCONTEXT * machineContext) {
    mach_msg_type_number_t state_count = LSL_THREAD_STATE_COUNT;
    kern_return_t kr = thread_get_state(thread, LSL_THREAD_STATE, (thread_state_t)&machineContext->__ss, &state_count);
    return (kr == KERN_SUCCESS);
}

thread_get_state傳入thread，_STRUCT_MCONTEXT->__ss(寄存器指針結(jié)構(gòu)體)，以及cpu相關(guān)常量（target_act，old_stateCnt），來(lái)實(shí)現(xiàn)_STRUCT_MCONTEXT賦值

堆棧指針獲取
_STRUCT_MCONTEXT結(jié)構(gòu)體獲取堆棧指針
如x86_64為_(kāi)STRUCT_MCONTEXT->__ss結(jié)構(gòu)體如下

#define DETAG_INSTRUCTION_ADDRESS(A) (A)
#define LSL_THREAD_STATE_COUNT x86_THREAD_STATE64_COUNT //thread_get_state函數(shù)參數(shù)
#define LSL_THREAD_STATE x86_THREAD_STATE64 //thread_get_state函數(shù)參數(shù)
#define LSL_FRAME_POINTER __rbp
#define LSL_STACK_POINTER __rsp
#define LSL_INSTRUCTION_ADDRESS __rip

指令指針

_STRUCT_MCONTEXT->__ss.LSL_INSTRUCTION_ADDRESS //rip 指令指針

棧頂指針

_STRUCT_MCONTEXT->__ss.LSL_STACK_POINTER  //bsp 棧頂指針

棧幀指針

_STRUCT_MCONTEXT->__ss.LSL_FRAME_POINTER  //rbp 棧幀指針

棧幀結(jié)構(gòu)體
棧幀結(jié)構(gòu)體StackFrameEntry

typedef struct StackFrameEntry{
    const struct StackFrameEntry *const previous;  //前一個(gè)棧幀地址
    const uintptr_t return_address;  //棧幀的函數(shù)返回地址
} StackFrameEntry;

首個(gè)棧幀結(jié)構(gòu)體賦值
API函數(shù)vm_read_overwrite

kern_return_t vm_read_overwrite
(
    vm_map_t target_task,  //task任務(wù)
    vm_address_t address,  //棧幀指針FP
    vm_size_t size,  //結(jié)構(gòu)體大小 sizeof（StackFrameEntry）
    vm_address_t data,  //結(jié)構(gòu)體指針StackFrameEntry
    vm_size_t *outsize  //賦值大小
);

使用代碼


//參數(shù)src：棧幀指針
//參數(shù)dst：StackFrameEntry實(shí)例指針
//參數(shù)numBytes：StackFrameEntry結(jié)構(gòu)體大小
kern_return_t lsl_mach_copyMem(const void * src, const void * dst, const size_t numBytes) {
    vm_size_t bytesCopied = 0;
//   調(diào)用api函數(shù)，根據(jù)棧幀指針獲取該棧幀對(duì)應(yīng)的函數(shù)地址
    return vm_read_overwrite(mach_task_self(), (vm_address_t)src, (vm_size_t)numBytes, (vm_address_t)dst, &bytesCopied);
}

函數(shù)地址
參考上一步，完成首個(gè)棧幀結(jié)構(gòu)體賦值后
1.通過(guò)棧幀結(jié)構(gòu)體StackFrameEntry->previous，遍歷所有棧幀
2.API函數(shù)vm_read_overwrite對(duì)棧幀結(jié)構(gòu)體賦值，獲取當(dāng)前棧幀函數(shù)
偽代碼

//循環(huán)遍歷，停止條件MAX_FRAME_NUMBER棧幀個(gè)數(shù)
    for (; idx < MAX_FRAME_NUMBER; idx++) {
 棧幀函數(shù)賦值
        backtraceBuffer[idx] = frame.return_address;
        
        if (backtraceBuffer[idx] == FAILED_UINT_PTR_ADDRESS ||
            frame.previous == NULL ||
//        根據(jù)當(dāng)前的棧幀的previous，獲取前一個(gè)棧幀地址
            lsl_mach_copyMem(frame.previous, &frame, sizeof(frame)) != KERN_SUCCESS) {
            break;
        }

線程函數(shù)地址獲取小結(jié)

1.找到目標(biāo)thread，方法：API函數(shù)task_threads
2.獲得thread的內(nèi)存上下文_STRUCT_CONTEXT，方法：API函數(shù)thread_get_state
3.獲取指針棧幀結(jié)構(gòu)體_STRUCT_CONTEXT._ss，解析得到對(duì)應(yīng)指令指針_STRUCT_CONTEXT._ss.ip;首次個(gè)棧幀指針_STRUCT_CONTEXT._ss.bp；棧頂指針_STRUCT_CONTEXT._ss.sp
1. 首個(gè)棧幀結(jié)構(gòu)體賦值，方法：API函數(shù)vm_read_overwrite(_STRUCT_CONTEXT._ss.bp...)，完成首個(gè)棧幀結(jié)構(gòu)體賦值StackFrameEntry
1. 遍歷StackFrameEntry獲取所有棧幀及對(duì)應(yīng)的函數(shù)地址

代碼邏輯解析

流程圖

image.png

Setp1:
調(diào)用API函數(shù)task_threads，獲取線程數(shù)組棧幀threads，線程個(gè)數(shù)thread_count

task_threads(mach_task_self(), &threads, &thread_count)

Setp2:
調(diào)用API函數(shù)thread_get_state，實(shí)例化結(jié)構(gòu)體STRUCT_MCONTEXT,STRUCT_MCONTEXT->__ss包含棧幀指針fp，指令指針ip，棧頂指針sp

//thread:線程
//LSL_THREAD_STATE:cpu相關(guān)的定量
//machineContext->__ss:設(shè)備上下文，__ss結(jié)構(gòu)體存儲(chǔ)了`fp`，ip，sp
//state_count:cpu相關(guān)的定量
thread_get_state(thread, LSL_THREAD_STATE, (thread_state_t)&machineContext->__ss, &state_count)

Setp3:
調(diào)用API函數(shù)vm_read_overwrite，實(shí)例化StackFrameEntry結(jié)構(gòu)體，StackFrameEntry存儲(chǔ)首個(gè)棧幀的函數(shù)地址，以及前一個(gè)棧幀地址從而通過(guò)遍歷堆棧所有函數(shù)地址的獲取

typedef struct StackFrameEntry{
    //    前一個(gè)棧幀地址
    const struct StackFrameEntry * const previous;
    //    函數(shù)地址
    const uintptr_t return_address;
} StackFrameEntry;

//mach_task_self：task對(duì)象
//src：fp棧幀指針
//numBytes：sizeof（StackFrameEntry）
//dst：StackFrameEntry指針
//bytesCopied：//cpye字節(jié)大小
vm_read_overwrite(mach_task_self(), (vm_address_t)src, (vm_size_t)numBytes, (vm_address_t)dst, &bytesCopied)

Setp4:
遍歷StackFrameEntry（遍歷條件StackFrameEntry.previous），來(lái)獲取堆棧所有棧幀地址，及函數(shù)地址（add）并存儲(chǔ)在函數(shù)地址數(shù)組backTrackBuffer。
Setp5:
獲得函數(shù)的實(shí)現(xiàn)地址，由于函數(shù)地址無(wú)法進(jìn)行閱讀，需要通過(guò)符號(hào)表（nlist）來(lái)解析為函數(shù)名（Setp6-Setp15操作目標(biāo)），從而進(jìn)行程序定位。
Setp6:
調(diào)用API函數(shù)_dyld_image_count(void) ，獲取images文件總數(shù)，即mach-o文件總數(shù)，Setp6-Setp9遍歷獲取mach-o target index（目標(biāo)mach-o鏡像文件）。
Setp7:
調(diào)用API函數(shù)_dyld_get_image_header（imageIndex）獲取mach-o文件的header對(duì)象,header對(duì)象存儲(chǔ)load command個(gè)數(shù)及大小；
調(diào)用API函數(shù)_dyld_get_image_vmadd_slide（imageIndex）的mach-o文件的隨機(jī)內(nèi)存地址偏移量
Setp8:
補(bǔ)充
函數(shù)地址：add，函數(shù)真實(shí)的實(shí)現(xiàn)地址
函數(shù)虛擬地址：vm_add，
ALSR:slide函數(shù)虛擬地址加載到進(jìn)程內(nèi)存的隨機(jī)偏移量，每個(gè)mach-o的slide各不相同
關(guān)系：vm_add + slide = add
已知參數(shù):add，slide因此通過(guò)關(guān)系換算得到vm_add

Setp9:
image index：函數(shù)對(duì)應(yīng)的mach-o鏡像文件image索引index
遍歷：遍歷mach-o下所有l(wèi)oadCommand(LC_SEGMENT)，循環(huán)條件header->ncmds(load command個(gè)數(shù))。
目標(biāo)：函數(shù)地址對(duì)應(yīng)的mach-o鏡像文件image。
查詢條件：vm_add=[image(index).segment(i).vmadd, image(index).segment(i).vmadd+image(index).segment(i).vmsize]，其中index=image index，i=cmd index
Setp10:
調(diào)用API函數(shù)_dyld_get_image_vmaddr_slide(index)，獲取目標(biāo)image的slide用來(lái)?yè)Q算基址。不同的mach-o的slide不同
Setp11:
獲得函數(shù)對(duì)應(yīng)的mach-o的鏡像image（index）文件后，計(jì)算程序鏈接基址，從而獲取符號(hào)表地址symbolTab_Add，字符串表地址strTab_Add。
base_add = segmet(LINKEDIR).vmadd - segment(LINKEDIT).fileoff + slide
函數(shù)對(duì)應(yīng)的鏡像文件image（index），遍歷loadcommadn，獲得cmd.segname=LINKEDIT的segment，提取vmadd（虛擬地址），fileoff（文件偏移量）
Setp12:
獲得符號(hào)表地址
symbolTab_add：符號(hào)表地址，一塊連續(xù)的地址來(lái)存儲(chǔ)mach-o所有的函數(shù)符號(hào)，存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)為nlis
base_add：程序鏈接時(shí)基址，通過(guò)LINKEDIT計(jì)算得到
symoff：符號(hào)表偏移地址，存儲(chǔ)在LC_SYMTAB的cmd中，symoff為相對(duì)基址的偏移量
關(guān)系：symbolTab_add = base_add + symoff
Setp13:
獲得字符串表地址
strTab_add：符號(hào)表地址，一塊連續(xù)的地址來(lái)存儲(chǔ)mach-o所有的字符串指針base_add：程序鏈接時(shí)基址，通過(guò)LINKEDIT計(jì)算得到stroff：符號(hào)表偏移地址，存儲(chǔ)在LC_SYMTAB的cmd中，stroff為相對(duì)基址的偏移量
關(guān)系：strTab_add = base_add + stroff
Setp14:
符號(hào)表結(jié)構(gòu)體nlist

// 位于系統(tǒng)庫(kù) 頭文件中 struct nlist {
  union {
     uint32_t n_strx;  //符號(hào)名在字符串表中的偏移量
  } n_un;
  uint8_t n_type;
  uint8_t n_sect;
  int16_t n_desc; 
  uint32_t n_value; //符號(hào)在內(nèi)存中的地址，類似于函數(shù)虛擬地址指針   
};

符號(hào)表以nlist的結(jié)構(gòu)體連續(xù)存儲(chǔ)mach-o文件下所有函數(shù)符號(hào)，nlist結(jié)構(gòu)體將函數(shù)虛擬地址，與函數(shù)名進(jìn)行關(guān)聯(lián)。

Setp15:
符號(hào)結(jié)構(gòu)體nlist關(guān)聯(lián)了函數(shù)虛擬地址和函數(shù)名（n_vaule函數(shù)虛擬地址，n_um_strx字符串表偏移量），目前已知函數(shù)地址，因此可以遍歷所有的nlist獲得對(duì)應(yīng)的n_um_strx。
函數(shù)虛擬地址vm_add: vm_add = add - slide
符號(hào)表注冊(cè)函數(shù)虛擬地址n_value：nlist(index).n_value
index遍歷條件：vm_add >= n_value && min(vm_add - n_value)，滿足上述條件的符號(hào)index即為函數(shù)對(duì)應(yīng)的nlist（index）
Setp16:
獲得函數(shù)對(duì)應(yīng)的符號(hào)表索引后，得到函數(shù)名起始地址nlist(inde).n_um.n_strx + strTab_add

至此完成函數(shù)地址與函數(shù)名的關(guān)聯(lián)～

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iOS堆棧信息解析（函數(shù)地址與符號(hào)關(guān)聯(lián)）

iOS堆棧信息解析（函數(shù)地址與符號(hào)關(guān)聯(lián)）

任務(wù)Mach-Task

函數(shù)調(diào)用棧原理

函數(shù)出入棧過(guò)程

函數(shù)調(diào)用地址獲取

線程函數(shù)地址獲取小結(jié)

代碼邏輯解析

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線程函數(shù)地址獲取小結(jié)

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