Android Native Crash 捕获实践 | Jekton

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本篇是 bugly 一篇关于 native crash 捕获的文章的练习。由于他文章中已经给出了相关的大部分知识点,这里我就仅仅补充一些细节,并给出一个完整的 demo。建议大家先阅读 Android 平台 Native 代码的崩溃捕获机制及实现 ,熟悉一下相关的知识。

设置 signal handler 的运行堆栈

static void SetUpStack() { stack_t stack{}; stack.ss_sp = new(std::nothrow) char[SIGSTKSZ];

if (!stack.ss_sp) { LOGW(kTag, "fail to alloc stack for crash catching"); return; } stack.ss_size = SIGSTKSZ; stack.ss_flags = 0; if (stack.ss_sp) { if (sigaltstack(&stack, nullptr) != 0) { LOGERRNO(kTag, "fail to setup signal stack"); } } } SIGSTKSZ 是一个 signal.h 预定义的常量,我们可以直接用它做目标的栈大小。LOGERRNO, LOGD, LOGE 等是我自己定义的打印 Android log 的宏。

设置信号处理函数

static std::map<int, struct sigaction> sOldHandlers;

static void SetUpSigHandler() { struct sigaction action{}; action.sa_sigaction = SignalHandler; action.sa_flags = SA_SIGINFO | SA_ONSTACK; int signals[] = { SIGABRT, SIGBUS, SIGFPE, SIGILL, SIGSEGV, SIGPIPE }; struct sigaction old_action; for (auto signo : signals) { if (sigaction(signo, &action, &old_action) == -1) { LOGERRNO(kTag, "fail to set signal handler for signo %d", signo); } else { if (old_action.sa_handler != SIG_DFL && old_action.sa_handler != SIG_IGN) { sOldHandlers[signo] = old_action; } } } } 这里我们把旧的 signal handler 保存起来,执行完我们自己的函数后,再调用它们:

static void SignalHandler(int signo, siginfo_t* info, void* context) { DumpSignalInfo(info); DumpStacks(context);

CallOldHandler(signo, info, context); exit(0); }

static void CallOldHandler(int signo, siginfo_t* info, void* context) { auto it = sOldHandlers.find(signo); if (it != sOldHandlers.end()) { if (it->second.sa_flags & SA_SIGINFO) { it->second.sa_sigaction(signo, info, context); } else { it->second.sa_handler(signo); } } } DumpSignalInfo 用来打印 siginfo_t,DumpStacks 用来打印堆栈,很快我们就会看到他的实现。

打印 siginfo_t 打印 siginfo_t 没什么技术含量,就只是根据 signo 和 si_code 打印对应的消息。

static void DumpSignalInfo(siginfo_t* info) { switch (info->si_signo) { case SIGILL: LOGI(kTag, "signal SIGILL caught"); switch (info->si_code) { case ILL_ILLOPC: LOGI(kTag, "illegal opcode"); break; case ILL_ILLOPN: LOGI(kTag, "illegal operand"); break; case ILL_ILLADR: LOGI(kTag, "illegal addressing mode"); break; case ILL_ILLTRP: LOGI(kTag, "illegal trap"); break; case ILL_PRVOPC: LOGI(kTag, "privileged opcode"); break; case ILL_PRVREG: LOGI(kTag, "privileged register"); break; case ILL_COPROC: LOGI(kTag, "coprocessor error"); break; case ILL_BADSTK: LOGI(kTag, "internal stack error"); break; default: LOGI(kTag, "code = %d", info->si_code); break; } break; case SIGFPE: LOGI(kTag, "signal SIGFPE caught"); switch (info->si_code) { case FPE_INTDIV: LOGI(kTag, "integer divide by zero"); break; case FPE_INTOVF: LOGI(kTag, "integer overflow"); break; case FPE_FLTDIV: LOGI(kTag, "floating-point divide by zero"); break; case FPE_FLTOVF: LOGI(kTag, "floating-point overflow"); break; case FPE_FLTUND: LOGI(kTag, "floating-point underflow"); break; case FPE_FLTRES: LOGI(kTag, "floating-point inexact result"); break; case FPE_FLTINV: LOGI(kTag, "invalid floating-point operation"); break; case FPE_FLTSUB: LOGI(kTag, "subscript out of range"); break; default: LOGI(kTag, "code = %d", info->si_code); break; } break; case SIGSEGV: LOGI(kTag, "signal SIGSEGV caught"); switch (info->si_code) { case SEGV_MAPERR: LOGI(kTag, "address not mapped to object"); break; case SEGV_ACCERR: LOGI(kTag, "invalid permissions for mapped object"); break; default: LOGI(kTag, "code = %d", info->si_code); break; } break; case SIGBUS: LOGI(kTag, "signal SIGBUS caught"); switch (info->si_code) { case BUS_ADRALN: LOGI(kTag, "invalid address alignment"); break; case BUS_ADRERR: LOGI(kTag, "nonexistent physical address"); break; case BUS_OBJERR: LOGI(kTag, "object-specific hardware error"); break; default: LOGI(kTag, "code = %d", info->si_code); break; } break; case SIGABRT: LOGI(kTag, "signal SIGABRT caught"); break; case SIGPIPE: LOGI(kTag, "signal SIGPIPE caught"); break; default: LOGI(kTag, "signo %d caught", info->si_signo); LOGI(kTag, "code = %d", info->si_code); } LOGI(kTag, "errno = %d", info->si_errno); } 打印堆栈 最后是我们的重头戏 —— 打印堆栈。按 bugly 那文章的说法,直接在信号处理函数里调用 Java 函数经常会有问题(具体是什么问题,我也还没去看,理论上应该没关系才对),我们这里就先按他的建议,在后台起一个工作线程来打印堆栈。

我们在应用启动的时候,先启动一个后台线程:

static pid_t sTidToDump; // guarded by sMutex static void* sContext; static std::mutex sMutex; static std::condition_variable sCondition; static void StackDumpingThread();

void InitCrashCaching() { LOGD(kTag, "InitCrashCaching"); SetUpStack(); SetUpSigHandler(); std::thread{StackDumpingThread}.detach(); } 这里 mutex 和 condition_variable 用来给信号处理函数和这个工作线程通信,我们直接通过两个静态变量传递数据。

static void StackDumpingThread() { std::unique_lockstd::mutex lock{sMutex}; sCondition.wait(lock, [] { return sTidToDump > 0; });

// dump stack

sTidToDump = 0; // tell signal handler that we're done sCondition.notify_one(); } 现在我们可以继续看前面暂时放下的 DumpStack 函数了:

static void DumpStacks(void* context) { std::unique_lockstd::mutex lock{sMutex}; sTidToDump = gettid(); // 获取线程 id sContext = context; sCondition.notify_one(); // 等待工作线程打印堆栈 sCondition.wait(lock, []{ return sTidToDump == 0; }); } 以上就是 native 崩溃捕获的一个基本框架,下面我们看看如何获取堆栈。

bugly 文章给我们推荐的 libunwind,但这里我们使用另一个朋友推荐的 libbacktrace。libbacktrace 其实也是用 libunwind 实现的。为了绕开 Android N 以后的 classloader namespace 限制,我们用 ndk_dlopen 来加载 libbacktrace.so。

使用系统内置的 so 有一个好处,就是不用自己去编译共享库,并且 so 很可能根据不同的系统版本做了调整。坏处就是我们代码的兼容性会比较差(这里我给出的代码只能运行在 Android 8 上,如果是其他版本,读者需要自己根据系统源码做一些调整)。

libbacktrace 的源码在 system/core 下面,为了了解一个库的用法,一般是看看他相关的文档、头文件。很不幸的,libbacktrace 没有文档,查看源码目录,可以看到一个 Backtrace.h。这种跟库名一样的头文件名,一般就是库对外的接口。

另一个方向是,既然 libbacktrace 在 system/core 里,系统可能有某个地方使用了它,我们可以全局搜索 system/core 找一个使用了 libbacktrace 的地方,然后参考它的用法。这里我参考的是 CallStack:

// system/core/libutils/CallStack.cpp void CallStack::update(int32_t ignoreDepth, pid_t tid) { mFrameLines.clear();

std::unique_ptr<Backtrace> backtrace(Backtrace::Create(BACKTRACE_CURRENT_PROCESS, tid));
if (!backtrace->Unwind(ignoreDepth)) {
    ALOGW("%s: Failed to unwind callstack.", __FUNCTION__);
}
for (size_t i = 0; i < backtrace->NumFrames(); i++) {
  mFrameLines.push_back(String8(backtrace->FormatFrameData(i).c_str()));
}

} 可以看到,使用 libbacktrace 一共就 3 步:

使用 Backtrace::Create 创建一个 Backtrace 实例 调用 Unwind 函数 unwind 一下 stack FormatFrameData 输出每个栈帧的文本信息(也可以自己根据 frame 自己打印) 下面我们先看看封装了 libbacktrace 的 GetStackTrace 接口,然后分小节来看这几个步骤。

GetStackTrace 接口 1

class GetTraceCallback { public: virtual void OnFrame(size_t frame_num, std::string frame) = 0; virtual void OnFail() = 0; virtual ~GetTraceCallback() {} };

/*

创建 Backtrace 实例 为了使用 ndk_dlopen,我们先在 InitCrashCaching 的时候初始化它:

extern "C" JNIEXPORT void JNICALL Java_com_example_nativecrashcatching_CrashCatching_initNative( JNIEnv* env, jclass clazz) { ndk_init(env); InitCrashCaching(); } 为了找到 Backtrace::Create 函数的在 so 里的符号,我们可以使用 nm:

$ aarch64-linux-android-nm -D libbacktrace.so | grep Create 00004e10 T _ZN12BacktraceMap6CreateEiRKNSt3__16vectorI15backtrace_map_tNS0_9allocatorIS2_EEEE 0000aab8 T _ZN12BacktraceMap6CreateEib 00008dec T _ZN9Backtrace6CreateEiiP12BacktraceMap aarch64-linux-android-nm 可以在类似 ndk-bundle/toolchains/aarch64-linux-android-4.9/prebuilt/darwin-x86_64/bin 的路径里找到。

由于 so 里的符号都是 mangle 过的(C++ name mangling),我们可以先根据关键字 grep 出相关的符号,然后用 https://demangler.com/ demangle 出原来的符号名。Backtrace::Create 对应的符号是 _ZN9Backtrace6CreateEiiP12BacktraceMap。

知道函数对应的符号后,我们就可以用 dlsym 来找他了:

const char* kLibBacktrace = "libbacktrace.so";

static BacktraceStub* CreateBacktrace(pid_t tid) { auto deleter = [](void* handle) { ndk_dlclose(handle); }; std::unique_ptr<void, decltype(deleter)> handle{ndk_dlopen(kLibBacktrace, RTLD_LAZY), deleter}; if (!handle) { LOGERRNO(kTag, "CrateBacktrace, fail to dlopen %s", kLibBacktrace); return nullptr; }

using BacktraceCreate = BacktraceStub* ()(pid_t pid, pid_t tid, void map); union { void* p; BacktraceCreate fn; } backtrace_create; backtrace_create.p = ndk_dlsym(handle.get(), "_ZN9Backtrace6CreateEiiP12BacktraceMap"); if (!backtrace_create.p) { LOGE(kTag, "CrateBacktrace, fail to get symbol Backtrace::Create: %s", ndk_dlerror()); return nullptr; }

return backtrace_create.fn(BACKTRACE_CURRENT_PROCESS, tid, nullptr); } 由于 C++ 不给我们把 void* 转成函数指针,这里只能曲线救国,用一个 union 来转换。Backtrace::Create 后会返回一个 Backtrace 指针。这里我们有两个选择,一是把整个 Backtrace 类的定义后拷贝过来,二是我们仿照他的定义,只加入我们需要的一小部分。我们选择的是后者。至于他的作用,我们很快就会看到。

调用 Unwind 函数 unwind 一下 stack 查看原始的 libbacktrace,我们可以知道,Unwind 函数是一个虚函数。为了调用它,有两条路可以选择。

拿到类的虚函数表,然后根据编译器的规则,算出 Unwind 的 offset 定义一个跟 Backtrace 具有相同虚函数表的类,然后利用这个类来得到 Unwind 的 offset 从实现的角度,第二种方法虽然比较骚,但却比第一种简单很多。于是,我们定义了一个 BacktraceStub:

class BacktraceStub { public: virtual ~BacktraceStub() {} virtual bool Unwind(size_t num_ignore_frames, void* context = NULL) = 0; virtual std::string GetFunctionName(uint64_t pc, uint64_t* offset, const backtrace_map_t* map = NULL) = 0; virtual void FillInMap(uint64_t pc, backtrace_map_t* map) = 0; virtual bool ReadWord(uint64_t ptr, word_t* out_value) = 0; virtual size_t Read(uint64_t addr, uint8_t* buffer, size_t bytes) = 0; virtual std::string FormatFrameData(size_t frame_num) = 0;

protected: virtual std::string GetFunctionNameRaw(uint64_t pc, uint64_t* offset) = 0; virtual bool VerifyReadWordArgs(uint64_t ptr, word_t* out_value) = 0; }; 除了我们需要用到的 ~BacktraceStub、Unwind 和 FormatFrameData,其他函数其实可以随意定义。这部分相关的知识,读者可以参考《深度探索C++对象模型》。

有了这个 BacktraceStub,我们就可以调用 Unwind 了:

void GetStackTrace(pid_t tid, void* ctx, GetTraceCallback* callback) { std::unique_ptr backtrace{CreateBacktrace(tid)}; if (!backtrace) { callback->OnFail(); return; } const auto ignoreDepth = 0; if (!backtrace->Unwind(ignoreDepth)) { LOGE(kTag, "GetStackTrace, fail to unwind stack"); callback->OnFail(); return; }

... ... ... } ignoreDepth 是忽略掉栈顶的 frame 数,我们传入 0 即可。

FormatFrameData 输出每个栈帧的文本信息 回忆一下前面的 DumpStacks:

static void DumpStacks(void* context) { std::unique_lockstd::mutex lock{sMutex}; sTidToDump = gettid(); sContext = context; sCondition.notify_one(); sCondition.wait(lock, []{ return sTidToDump == 0; }); } 由于我们信号处理函数里又多执行了一部分代码,最后拿到的堆栈会多出来几个。为了去掉这些,我们需要从信号处理函数的 context 里拿到异常发生时的 PC 值:

void GetStackTrace(pid_t tid, void* ctx, GetTraceCallback* callback) { ... ...

auto context = reinterpret_cast<ucontext_t*>(ctx); // uc_mcontext.pc is the next instruction to be executed auto pc = static_cast<uint64_t>(context->uc_mcontext.pc) - 4;

... ... } 为了拿到 libbacktrace 中栈帧的数据,我们需要再拷贝多一些类定义:

enum BacktraceUnwindError : uint32_t { BACKTRACE_UNWIND_NO_ERROR, // Something failed while trying to perform the setup to begin the unwind. BACKTRACE_UNWIND_ERROR_SETUP_FAILED, // There is no map information to use with the unwind. BACKTRACE_UNWIND_ERROR_MAP_MISSING, // An error occurred that indicates a programming error. BACKTRACE_UNWIND_ERROR_INTERNAL, // The thread to unwind has disappeared before the unwind can begin. BACKTRACE_UNWIND_ERROR_THREAD_DOESNT_EXIST, // The thread to unwind has not responded to a signal in a timely manner. BACKTRACE_UNWIND_ERROR_THREAD_TIMEOUT, // Attempt to do an unsupported operation. BACKTRACE_UNWIND_ERROR_UNSUPPORTED_OPERATION, // Attempt to do an offline unwind without a context. BACKTRACE_UNWIND_ERROR_NO_CONTEXT, };

struct backtrace_map_t { uintptr_t start = 0; uintptr_t end = 0; uintptr_t offset = 0; uintptr_t load_base = 0; int flags = 0; std::string name; };

struct backtrace_frame_data_t { size_t num; // The current fame number. uintptr_t pc; // The absolute pc. uintptr_t sp; // The top of the stack. size_t stack_size; // The size of the stack, zero indicate an unknown stack size. backtrace_map_t map; // The map associated with the given pc. std::string func_name; // The function name associated with this pc, NULL if not found. uintptr_t func_offset; // pc relative to the start of the function, only valid if func_name is not NULL. };

using word_t = unsigned long;

class BacktraceMap;

class BacktraceStub { public: // virtual functions

size_t NumFrames() const { return frames_.size(); }

const backtrace_frame_data_t* GetFrame(size_t frame_num) { if (frame_num >= frames_.size()) { return nullptr; } return &frames_[frame_num]; }

protected: pid_t pid_; pid_t tid_;

BacktraceMap* map_; bool map_shared_; std::vector<backtrace_frame_data_t> frames_; // Skip frames in libbacktrace/libunwindstack when doing a local unwind. BacktraceUnwindError error_; }; 前面这些都是 libbacktrace 里拷贝出来的。由于我的测试机是 Android 8,所以使用 system/core 的 oreo-release 分支。读者需要根据自己手机系统的版本做一些调整。

下面是 GetStackTrace 的完整实现:

void GetStackTrace(pid_t tid, void* ctx, GetTraceCallback* callback) { std::unique_ptr backtrace{CreateBacktrace(tid)}; if (!backtrace) { callback->OnFail(); return; } const auto ignoreDepth = 0; if (!backtrace->Unwind(ignoreDepth)) { LOGE(kTag, "GetStackTrace, fail to unwind stack"); callback->OnFail(); return; }

auto context = reinterpret_cast<ucontext_t*>(ctx); // uc_mcontext.pc is the next instruction to be executed auto pc = static_cast<uint64_t>(context->uc_mcontext.pc) - 4; size_t j = 0; for (size_t i = 0, size = backtrace->NumFrames(); i < size; ++i) { auto frame = backtrace->GetFrame(i); // skip frames due to notification of dumping thread if (j == 0 && frame->pc != pc) continue; const_cast<backtrace_frame_data_t*>(frame)->num = j; auto frame_str = backtrace->FormatFrameData(i); ++j; callback->OnFrame(i, frame_str); } } 我们忽略掉前面的几个栈帧后,为了让 FormatFrameData 输出的标号从 0 开始,我们还手动修改了 frame->num。下面是一个输出示例:

#00 pc 0000000000019870 /data/app/com.example.nativecrashcatching-cSDYvNiWs8hShuhH39mQUQ==/lib/arm64/libnative-lib.so (_Z3foov+16) #01 pc 0000000000019894 /data/app/com.example.nativecrashcatching-cSDYvNiWs8hShuhH39mQUQ==/lib/arm64/libnative-lib.so (Java_com_example_nativecrashcatching_CrashCatching_dieNative+20) #02 pc 00000000001fd700 /system/lib64/libart.so (offset 0x2f1000) #03 pc 00000000001f4638 /system/lib64/libart.so (offset 0x2f1000) #04 pc 00000000000d80b4 /system/lib64/libart.so (_ZN3art9ArtMethod6InvokeEPNS_6ThreadEPjjPNS_6JValueEPKc+260) #05 pc 00000000002821dc /system/lib64/libart.so (_ZN3art11interpreter34ArtInterpreterToCompiledCodeBridgeEPNS_6ThreadEPNS_9ArtMethodEPKNS_7DexFile8CodeItemEPNS_11ShadowFrameEPNS_6JValueE+352) #06 pc 000000000027c8a4 /system/lib64/libart.so (_ZN3art11interpreter6DoCallILb0ELb0EEEbPNS_9ArtMethodEPNS_6ThreadERNS_11ShadowFrameEPKNS_11InstructionEtPNS_6JValueE+672) #07 pc 00000000001dd130 /system/lib64/libart.so (offset 0x2f1000) #08 pc 00000000001e5e94 /system/lib64/libart.so (offset 0x2f1000) #09 pc 000000000025d620 /system/lib64/libart.so (_ZN3art11interpreterL7ExecuteEPNS_6ThreadEPKNS_7DexFile8CodeItemERNS_11ShadowFrameENS_6JValueEb+444) #10 pc 0000000000263d20 /system/lib64/libart.so (_ZN3art11interpreter33ArtInterpreterToInterpreterBridgeEPNS_6ThreadEPKNS_7DexFile8CodeItemEPNS_11ShadowFrameEPNS_6JValueE+212) #11 pc 000000000027c884 /system/lib64/libart.so (_ZN3art11interpreter6DoCallILb0ELb0EEEbPNS_9ArtMethodEPNS_6ThreadERNS_11ShadowFrameEPKNS_11InstructionEtPNS_6JValueE+640) #12 pc 00000000001dd130 /system/lib64/libart.so (offset 0x2f1000) #13 pc 00000000001e5e94 /system/lib64/libart.so (offset 0x2f1000) #14 pc 000000000025d620 /system/lib64/libart.so (_ZN3art11interpreterL7ExecuteEPNS_6ThreadEPKNS_7DexFile8CodeItemERNS_11ShadowFrameENS_6JValueEb+444) #15 pc 0000000000263d20 /system/lib64/libart.so (_ZN3art11interpreter33ArtInterpreterToInterpreterBridgeEPNS_6ThreadEPKNS_7DexFile8CodeItemEPNS_11ShadowFrameEPNS_6JValueE+212) 最后再提一个小知识点。前面打印出来的 pc 是相对地址,我们从信号处理还是里拿到的 pc 值是绝对地址,frame->pc 也是绝对地址。为了把信号处理函数中的 pc 值转成相对地址,可以使用 dladdr:

static uint64_t GetFaultPcRelative(ucontext_t* context) { void* pc = reinterpret_cast<void*>(context->uc_mcontext.pc); Dl_info dl_info; if (dladdr(pc, &dl_info)) { auto base = reinterpret_cast<uint64_t>(dl_info.dli_fbase); return reinterpret_cast<uint64_t>(pc) - base; } else { return 0; } } pie-release 的 libbacktrace 的 backtrace_frame_data_t 直接带了一个成员变量 rel_pc。低版本的代码读者可以从 libbacktrace 源码中找到将绝对地址转换为相对地址的代码。

相关代码可以在 本项目源码(目标平台是 Android 8) 找到