[移动开发]「ANR」Android SIGQUIT(3) 信号拦截与处理

作者：非台

背景

Android的ANR频次（Application Not Responding）一直是Android用户体验的重要指标，然而在Android 6.0+的设备上，由于设备anr目录权限的收敛，已经不能通过扫描/data/anr/traces.txt文件来获取ANR文件了，因此今天我们来简单聊聊获取ANR的另一种方式，Android环境下，信号SIGQUIT(3)拦截。

信号量处理

关于信号SIGQUIT的拦截，我们需要了解信号量处理的部分相关函数，kill、signal、sigaction、sigwait、pthread_sigmask等系统信号量处理相关函数是阅读本文的必备知识，因此在这一章节简单介绍下，更多系统函数知识，请阅读《UNIX环境高级编程》。

kill [1]

头文件：#include<signal.h>

定义函数：int kill(pid_t?pid,int?signo)

函数说明：kill函数可以对进程发送signal，Android AMS在发生ANR的是其实是通过Process.sendSignal(pid,signal)来通信的，Process.sendSignal方法在JNI层，其实调用的是kill

想详细了解ANR的同学可以看

• AppErrors.java：http://androidxref.com/9.0.0_r3/xref/frameworks/base/services/core/java/com/android/server/am/AppErrors.java
• android_util_Process.cpp：http://androidxref.com/9.0.0_r3/xref/frameworks/base/core/jni/android_util_Process.cpp

signal [2]

头文件：#include<signal.h>

定义函数：sig_t signal(int?signum,sig_t?handler);

函数说明：signal()用于确定以后当信号sig出现时的处理方法。如果handler的值是SIG_DFL，那么就采用实现定义的缺省行为；如果handler的值是SIG_IGN，那么就忽略该信号；否则，调用handler所指向的函数(参数为信号类型)。有效的信号包括：

signal()返回信号sig原来的handler；如果出错，则返回SIG_ERR。当随后出现信号sig时，就中断正在执行的操作，转而执行信号处理函数(*handler)(sig)。如果从信号处理程序中返回，则从中断的位置继续执行。

sigaction [3]

头文件：#include<signal.h>

定义函数：int sigaction(int?signum,const struct sigaction *act?,struct sigaction *oldact)

函数说明：sigaction会依参数signum指定的信号编号来设置该信号的处理函数。参数signum可以指定SIGKILL和SIGSTOP以外的所有信号。如参数结构sigaction定义如下：

struct sigaction {
    void (*sa_handler)(int);
    void (*sa_sigaction)(int, siginfo_t *, void *);
    sigset_t sa_mask;
    int sa_flags;
    void (*sa_restorer)(void);
};

代码1 sigaction结构体

信号处理函数可以采用void (*sa_handler)(int)或void (*sa_sigaction)(int, siginfo_t *, void *)。到底采用哪个要看sa_flags中是否设置了SA_SIGINFO位，如果设置了就采用void (*sa_sigaction)(int, siginfo_t *, void *)，此时可以向处理函数发送附加信息；默认情况下采用void (*sa_handler)(int)，此时只能向处理函数发送信号的数值。

• sa_handler：此参数和signal()的参数handler相同，代表新的信号处理函数，其他意义请参考signal()；
• sa_mask：用来设置在处理该信号时暂时将sa_mask指定的信号集搁置；

• sa_restorer：此参数没有使用；
• sa_flags?：用来设置信号处理的其他相关操作，下列的数值可用。sa_flags还可以设置其他标志：

• SA_RESETHAND：当调用信号处理函数时，将信号的处理函数重置为缺省值SIG_DFL
• SA_RESTART：如果信号中断了进程的某个系统调用，则系统自动启动该系统调用

• SA_NODEFER?：一般情况下， 当信号处理函数运行时，内核将阻塞该给定信号。但是如果设置SA_NODEFER标记， 那么在该信号处理函数运行时，内核将不会阻塞该信号。

sigwait [4]

头文件：#include<signal.h>

定义函数：int sigwait(const sigset_t *set, int *sig);

函数说明：sigwait提供了一种等待信号的到来，以串行的方式从信号队列中取出信号进行处理的机制。sigwait只等待函数参数中指定的信号集，即如果新产生的信号不在指定的信号集内，则 sigwait继续等待。对于一个稳定可靠的程序，我们一般会有一些疑问：

1. 不要在线程的信号掩码中阻塞不能被忽略处理的两个信号 SIGSTOP 和 SIGKILL；
2. 不要在线程的信号掩码中阻塞 SIGFPE、SIGILL、SIGSEGV、SIGBUS；
3. 确保 sigwait等待的信号集已经被进程中所有的线程阻塞；
4. 在主线程或其它工作线程产生信号时，必须调用 kill() 将信号发给整个进程，而不能使用 pthread_kill() 发送某个特定的工作线程，否则信号处理线程无法接收到此信号；
5. 因为 sigwait使用了串行的方式处理信号的到来，为避免信号的处理存在滞后，或是非实时信号被丢失的情况，处理每个信号的代码应尽量简洁、快速，避免调用会产生阻塞的库函数。

注：Android的“Signal Catcher”线程是通过sigwait来等待SIGQUIT信号。

pthread_sigmask [5]

头文件：#include<signal.h>

定义函数：int pthread_sigmask (int how,const sigset_t *set,sigset_t *oset)；

函数说明：每个线程均有自己的信号屏蔽集（信号掩码），可以使用pthread_sigmask函数来屏蔽某个线程对某些信号的响应处理，仅留下需要处理该信号的线程来处理指定的信号。实现方式是：利用线程信号屏蔽集的继承关系（在主线程中对sigmask进行设置后，主线程创建出来的线程将继承主线程的掩码）。

signal、sigaction、sigwait 的差异

signal、sigaction、sigwait这三个方法都可以接收信号，并处理，那么他们的差异有哪些，以及处理顺序如何？

sigaction 和 signal 的区别：内核里有signal系统调用函数，它注释里也说是为了向后兼容，功能已被sigaction取代了，详见《源码剖析signal和sigaction的区别》[6]，也就是可以理解为signal的能力是sigaction的子集，signal和sigaction最终都是调了系统调用rt_sigaction。

sigaction 和 sigwait 的区别：?如果多个线程在sigwait调用时，等待的是同一个信号，当信号递送的时候，只有一个线程可以从sigwait中返回，具体是那个线程则是未定义的（由系统决定）。如果信号被捕获（进程通过使用sigaction建立了一个信号处理程序），而且线程正在sigwait调用中等待同一信号，那么这时将由操作系统实现来决定以何种方式递送信号。在这种情况下，操作系统实现可以让sigwait返回，也可以激活信号处理程序，但不可能出现两者皆可的情况。

我们做了一个实验，如果信号量发送给目标线程，且目标现在存在sigwait，则执行sigwait；如果信号量发送给目标线程，且目标线程设置SIG_BLOCK（屏蔽信息），其他线程在sigwait，则执行sigwait；其他状态执行sigaction的行为—— 这个只在笔者的MAC电脑上实验的结论。

使用sigwait的好处在于它可以简化信号处理，允许把异步产生的信号用同步的方式处理。为了防止信号中断线程，可以把信号加到每个线程的信号屏蔽字中，然后安排专用线程作信号处理。这些专用线程可以进行函数调用，不需要担心在信号处理程序中调用哪些函数是安全的，因为这些函数调用来自正常的线程环境，而非传统的信号处理程序，传统信号处理程序通常会中断线程的正常执行。详见《Libev源码分析06》[7]。

Android系统ANR SIGQUIT(3)的处理

有了前面的前置知识点，我们来看，Android ANR信号机制是怎么做的呢？简单的说：目标进程在创建的时候，会启动一个“Signal Catcher”专项线程来处理信号量，AMS在弹对话框的同时，会有一个系统调用，发出SIGQUIT(3)信号量，“Signal Catcher”专门来处理SIGQUIT(3)信号量，从而dump目标进程的线程状态到/data/anr/traces.txt文件。

SignalCatcher 线程创建

当Android运行应用时，如果应用进程还没有创建，ActivityManagerService会请求Zygote fork进程（详见《Android应用进程的创建过程》[8]）最终会通过Runtime 创建“SignalCatcher”线程。

1550  // Look for a native bridge.
1551  //
1552  // The intended flow here is, in the case of a running system:
1553  //
1554  // Runtime::Init() (zygote):
1555  //   LoadNativeBridge -> dlopen from cmd line parameter.
1556  //  |
1557  //  V
1558  // Runtime::Start() (zygote):
1559  //   No-op wrt native bridge.
1560  //  |
1561  //  | start app
1562  //  V
1563  // DidForkFromZygote(action)
1564  //   action = kUnload -> dlclose native bridge.
1565  //   action = kInitialize -> initialize library
1566  //
    
bool Runtime::Init(RuntimeArgumentMap&& runtime_options_in) {
1110  // (b/30160149): protect subprocesses from modifications to LD_LIBRARY_PATH, etc.
1111  // Take a snapshot of the environment at the time the runtime was created, for use by Exec, etc.
1112  env_snapshot_.TakeSnapshot();
    ......
      // 这行代码非常重要，这里后面会解释为什么SIGQUIT信号量，我们拿不到的原因。
1359  BlockSignals();
1360  InitPlatformSignalHandlers();
1361  ......
    
1408  std::string error_msg;
1409  java_vm_ = JavaVMExt::Create(this, runtime_options, &error_msg);
1410  if (java_vm_.get() == nullptr) {
1411    LOG(ERROR) << "Could not initialize JavaVMExt: " << error_msg;
1412    return false;
1413  }
    ......
1623  return true;
1624}

代码2 Runtime::Init 方法

1905 void Runtime::BlockSignals() {
1906  SignalSet signals;
1907  signals.Add(SIGPIPE);
1908  // SIGQUIT is used to dump the runtime's state (including stack traces).
1909  signals.Add(SIGQUIT);
1910  // SIGUSR1 is used to initiate a GC.
1911  signals.Add(SIGUSR1);
      //将SIGPIPE、SIGQUIT、SIGUSER1加入目标信号集，底层还是调用了 pthread_sigmask 函数，详见附件
1912  signals.Block();
1913}

代码3 Runtime::BlockSignals 方法

代码2、代码3是Runtime初始化信号量的方法，这里通过pthread_sigmask(SignalSet内部实现，有兴趣的小伙伴可以看signal_set.h)屏蔽了SIGPIPE、SIGQUIT、SIGUSER1信号量，使得当前线程（主线程）不会去处理系统发送的SIGPIPE、SIGQUIT、SIGUSER1信号量、由其他线程去处理。

由于Zogyte在fork子进程时，子进程会继承父进程的信号集，因此子进程创建的主线程，以及主线程创建的子线程都会继承这信号集，导致fork的子进程的主线程以及其子线程都不会处理SIGPIPE、SIGQUIT、SIGUSER1信号，只能通过sigwait来处理。

SignalCatcher 原理

[->signal_catcher.cc]
void* SignalCatcher::Run(void* arg) {
  ...


  // Set up mask with signals we want to handle.
  // part1 拦截SIGQUIT和SIGUSR1 信号
  // 这里创建了一个SignalSet对象
  SignalSet signals;
  //将SIGQUIT、SIGUSER1加入目标信号集，底层还是调用了 sigaddset 函数，详见附件
  signals.Add(SIGQUIT);
  signals.Add(SIGUSR1);


  while (true) {
    //等待目标信号SIGQUIT、SIGUSR1发生，底层还是调用了 sigwait 函数，详见附件
    int signal_number = signal_catcher->WaitForSignal(self, signals);
    if (signal_catcher->ShouldHalt()) {
      runtime->DetachCurrentThread();
      return nullptr;
    }


    switch (signal_number) {
    // part2 处理 SIGQUIT 信号
    case SIGQUIT:
      signal_catcher->HandleSigQuit();
      break;
    case SIGUSR1:
      signal_catcher->HandleSigUsr1();
      break;
    default:
      LOG(ERROR) << "Unexpected signal %d" << signal_number;
      break;
    }
  }
}

代码4 SignalCatcher::Run 方法

代码4 SignalCatcher::Run方法，正如前面所说，Android系统确实通过了“SignalCatcher”线程通过pthread_sigmask和sigwait来专项处理SIGQUIT、SIGUSR1的信号量。Android系统如此设计，我的理解是为了保障SIGQUIT、SIGUSR1的处理一定由“SignalCatcher”线程来完成，我认为这里由两个优点：

1. 防止信号量被其他线程处理，确保ANR文件内容的正确性；
2. 由单独线程处理，可以防止对其他线程的堆栈破坏，保障线程堆栈的完整性。

Android自定义SIG_QUIT拦截的实现

// 去监听 SIGQUIT 信号量
void RunSigQuitMonitor() {
    sigset_t set, old_set;
    sigemptyset(&set);
    sigaddset(&set, SIGQUIT);


    /*
     * 这里需要调用SIG_UNBLOCK，因为目标进程被Zogyte fork出来的时候，主线程继承了
     * Zogyte的主线程的信号屏蔽关系，Zogyte主线程在初始化的时候，通过
     * pthread_sigmask SIG_BLOCK把SIGQUIT的信号给屏蔽了，因此我们需要在自己进程的主线程，
     * 设置pthread_sigmask SIG_UNBLOCK ，这会导致原来的SignalCatcher sigwait将失效，
     * 原因是SignalCatcher 线程会对SIGQUIT 信号处理
     */
    int r = pthread_sigmask(SIG_UNBLOCK, &set, &old_set);
    if (0 != r) return;


    ... ...
    
    struct sigaction sa;
    memset(&sa, 0, sizeof(sa));
    sigemptyset(&sa.sa_mask);
    sigaddset(&sa.sa_mask, SIGQUIT);


    sa.sa_sigaction = SignalHandler;
    sa.sa_flags = SA_ONSTACK | SA_SIGINFO;


    if (sigaction(SIGQUIT, &sa, &old_handler) != 0) {
        goto Failed;
    }


    return;


    Failed:
    //如果失败需要恢复原先的状态，保障原来的工作能继续完成（主要是SignalCatcher）
    pthread_sigmask(SIG_SETMASK, &old_set, NULL);
}

代码5 SIG_QUIT拦截自定义SigPad::RunSigQuitMonitor方法

代码5 SigPad::RunSigQuitMonitor 方法，有了Linux信号的前置知识以及对Android “SignalCatcher”初始化的介绍，我们可以通过pthread_sigmask设置SIG_UNBLOCK来解除当前进程主线程对SIGQUIT的屏蔽。再通过sa_sigaction对SIGQUIT信号量处理方法重定向，从而实现自己的ANR监控方法。

小结

以上，有了对 Android SIGQUIT 信号处理的了解，我们就可以快速实现 Android 自定义的 SIGQUIT 信号拦截器，也欢迎广大读者朋友留言交流。

引用

[1] https://baike.baidu.com/item/kill()/2680256

[2] https://baike.baidu.com/item/signal.h/7316160?fr=aladdin

[3] https://baike.baidu.com/item/sigaction

[4] https://baike.baidu.com/item/sigwait

[5] https://baike.baidu.com/item/pthread_sigmask

[6] 源码剖析signal和sigaction的区别：https://blog.csdn.net/wangzuxi/article/details/44814825

[7] Libev源码分析06：https://www.cnblogs.com/gqtcgq/p/7247097.html

[8] Android应用进程的创建过程：https://www.jianshu.com/p/b4cb8608d7fb

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