Android 信号处理面面观 之 trace 文件含义_android 虚拟机trace原理

在前一章Android 信号处理面面观 之 信号定义、行为和来源 中，我们讨论过，Android 应用在收到异常终止信号（SIGQUIT）时，没有遵循传统 UNIX信号模型的默认行为 （终止 + core ）。而是打印出trace 文件来，以利于记录应用异常终止的原因。 本文就重点分析 trace 文件是怎么产生的，并详细解释trace文件的各个字段的含义。

一. TRACE 文件的产生

Trace文件是 android davik 虚拟机在收到异常终止信号 （SIGQUIT）时产生的。 最经常的触发条件是 android应用中产生了 FC （force close）。由于是该文件的产生是在 DVM里，所以只有运行 dvm实例的进程（如普通的java应用，java服务等）才会产生该文件，android 本地应用 （native app，指 运行在 android lib层，用c/c++编写的linux应用、库、服务等）在收到 SIGQUIT时是不会产生 trace文件的。

如上文Android 信号处理面面观 之 信号定义、行为和来源所述，我们可以在终端通过adb发送SIGQUIT给应用来生成trace文件。

二. TRACE文件的实现

相关实现在以下几个文件中：

dalvik/vm/init.h [.c]

davik/vm/SignalCatcher.h[.c]

dalvik/vm/Thread.h[.c]

Android ICS 实现文件后缀是 .cpp。

实现过程分以下几步：

Step #1:  DVM初始化时，设置信号屏蔽字，屏蔽要特殊处理的信号(SIGQUIT, SIGUSR1, SIGUSR2)。由于信号处理方式是进程范围起作用的， 这意味着该进程里所有的线程都将屏蔽该信号。 实现代码在init.c中如下：

int dvmStartup(int argc, const char* const argv[], bool ignoreUnrecognized,
    JNIEnv* pEnv)
{
    ...
    /* configure signal handling */
    if (!gDvm.reduceSignals)
        blockSignals();
    ...
}

blockSignals()的实现很简答，它是通过 sigprocmask() 函数调用实现的，代码在init.c如下：

/*
 * Configure signals.  We need to block SIGQUIT so that the signal only
 * reaches the dump-stack-trace thread.
 *
 * This can be disabled with the "-Xrs" flag.
 */
static void blockSignals()
{
    sigset_t mask;
    int cc;

    sigemptyset(&mask);
    sigaddset(&mask, SIGQUIT);
    sigaddset(&mask, SIGUSR1);      // used to initiate heap dump
#if defined(WITH_JIT) && defined(WITH_JIT_TUNING)
    sigaddset(&mask, SIGUSR2);      // used to investigate JIT internals
#endif
    //sigaddset(&mask, SIGPIPE);
    cc = sigprocmask(SIG_BLOCK, &mask, NULL);
    assert(cc == 0);
}

Step #2：  DVM 生成单独的信号处理线程，用来对三个信号做特殊处理 （init.c）：

/*
 * Do non-zygote-mode initialization.  This is done during VM init for
 * standard startup, or after a "zygote fork" when creating a new process.
 */
bool dvmInitAfterZygote(void)
{
    ...
    /* start signal catcher thread that dumps stacks on SIGQUIT */
    if (!gDvm.reduceSignals && !gDvm.noQuitHandler) {
        if (!dvmSignalCatcherStartup())
            return false;
    }
    ...
}

dvmSignalCatcherStartup() 实现在 SignalCatcher.c 中：

/*
 * Crank up the signal catcher thread.
 *
 * Returns immediately.
 */
bool dvmSignalCatcherStartup(void)
{
    gDvm.haltSignalCatcher = false;

    if (!dvmCreateInternalThread(&gDvm.signalCatcherHandle,
                "Signal Catcher", signalCatcherThreadStart, NULL))
        return false;

    return true;
}

我们看到，DVM调用dvmCreateInternalThread()来生成一个新的内部线程 来专门处理dvm进程里的信号。 后面我们会看到，dvmCreateInternalThread()其实是使用pthread_create()来产生新的线程。 该线程的处理函数是 signalCatcherThreadStart()。  （dvm里所谓的 内部线程，就是用来帮助dvm实现本身使用的线程，比如 信号处理线程，binder线程，Compiler线程，JDWP线程等，而不是应用程序申请的线程。 在后面我们计划用专门的一章来讨论DVM线程模式）

signalCatcherThreadStart() 实现框架如下：

/*
 * Sleep in sigwait() until a signal arrives.
 */
static void* signalCatcherThreadStart(void* arg)
{
    ...
    /* set up mask with signals we want to handle */
    sigemptyset(&mask);
    sigaddset(&mask, SIGQUIT);
    sigaddset(&mask, SIGUSR1);
#if defined(WITH_JIT) && defined(WITH_JIT_TUNING)
    sigaddset(&mask, SIGUSR2);
#endif
    ...
    while (true) {
    ...
loop:
        cc = sigwait(&mask, &rcvd);
        ...
        switch (rcvd) {
        case SIGQUIT:
            handleSigQuit();
            break;
        case SIGUSR1:
            handleSigUsr1();
            break;
#if defined(WITH_JIT) && defined(WITH_JIT_TUNING)
        case SIGUSR2:
            handleSigUsr2();
            break;
#endif
        ...
}

它首先设置我们要处理的信号集(SIGQUIT, SIGUSR1, SIGUSR2), 然后 调用 sigwait()。 我们知道sigwait()会在当前的线程里 重新 打开 指定的信号屏蔽字屏蔽的信号集。  在刚才的分析中，我们看到，dvm在启动时，首先在整个进程里设置信号屏蔽字屏蔽掉三个信号，sigwait()的调用，使的这三个信号只在 SignalCatcher线程里响应。

至此我们已经能够看到，dvm对三个信号分别所做的特殊用途：

1. SIGUSR1 被用来 做手工垃圾收集。处理函数是 HandleSigUsr1()

static void handleSigUsr1(void)
{
    LOGI("SIGUSR1 forcing GC (no HPROF)\n");
    dvmCollectGarbage(false);
}

2. SIGUSR2 被用来做 JIT的调试。如果JIT下编译时打开，收到SIGUSR2是dvm会dump出相关的调试信息。处理逻辑如下：

#if defined(WITH_JIT) && defined(WITH_JIT_TUNING)
/*
 * Respond to a SIGUSR2 by dumping some JIT stats and possibly resetting
 * the code cache.
 */
static void handleSigUsr2(void)
{
    static int codeCacheResetCount = 0;
    if ((--codeCacheResetCount & 7) == 0) {
        gDvmJit.codeCacheFull = true;
    } else {
        dvmCompilerDumpStats();
        /* Stress-test unchain all */
        dvmJitUnchainAll();
        LOGD("Send %d more signals to rest the code cache",
             codeCacheResetCount & 7);
    }
}
#endif

由于以上两个信号都仅用于DVM的内部实现的调试，本文不作详细的分析。读者可以在终端通过adb发送 SIGUSR1 和SIGUSR2信号来观察它的行为。

3.  SIGQUIT 用来 输出trace文件，以记录异常终止是dvm的上下文信息.

SIGQUIT的处理函数如下所示：

static void handleSigQuit(void)
{   ...
    dvmSuspendAllThreads(SUSPEND_FOR_STACK_DUMP);

    if (gDvm.stackTraceFile == NULL) {
        /* just dump to log */
        DebugOutputTarget target;
        dvmCreateLogOutputTarget(&target, ANDROID_LOG_INFO, LOG_TAG);
        dvmDumpAllThreadsEx(&target, true);
    } else {
        /* write to memory buffer */
        FILE* memfp = open_memstream(&traceBuf, &traceLen);
        if (memfp == NULL) {
            LOGE("Unable to create memstream for stack traces\n");
            traceBuf = NULL;        /* make sure it didn't touch this */
            /* continue on */
        } else {
            logThreadStacks(memfp);
            fclose(memfp);
        }
    }

#if defined(WITH_JIT) && defined(WITH_JIT_TUNING)
    dvmCompilerDumpStats();
#endif

    dvmResumeAllThreads(SUSPEND_FOR_STACK_DUMP);

    if (traceBuf != NULL) {
        int fd = open(gDvm.stackTraceFile, O_WRONLY | O_APPEND | O_CREAT, 0666);
        if (fd < 0) {
            LOGE("Unable to open stack trace file '%s': %s\n",
                gDvm.stackTraceFile, strerror(errno));
        } else {
        ...
        }
    ...
}

它首先查看有木有指定 trace输出文件，没有就将trace信息打印到log里。如果有，就先将trace信息打印到内存文件中，然后再讲改内存文件内容输出到指定trace文件中。 

有些读者肯能觉得奇怪，为什么指定了trace文件后，不直接打印trace信息到trace文件中呢。 原因是 trace文件实际上记录的是当前运行的所有的线程的上下文信息。他需要 暂停所有的线程才能输出。 dvmSuspendAllThreads(SUSPEND_FOR_STACK_DUMP);的调用正式这个目的。可以看出，这个操作代价是很高的，它把当前所有的线程都停了下来。执行的时间越短，对正常运行的线程的影响越小。 输出信息到内存比直接到外部文件要快得多。所以 dvm采取了先输出到内存，马上恢复线程程，然后就可以慢慢的输出到外部文件里了。

而这真正的输出信息实现在 logThreadStacks()中：

static void logThreadStacks(FILE* fp)
{
    dvmPrintDebugMessage(&target,
        "\n\n----- pid %d at %04d-%02d-%02d %02d:%02d:%02d -----\n",
        pid, ptm->tm_year + 1900, ptm->tm_mon+1, ptm->tm_mday,
        ptm->tm_hour, ptm->tm_min, ptm->tm_sec);
    printProcessName(&target);
    dvmPrintDebugMessage(&target, "\n");
    dvmDumpAllThreadsEx(&target, true);
    fprintf(fp, "----- end %d -----\n", pid);
}

该函数打印了trace文件的框架，其输出类似如下所示：

----- pid 503 at 2011-11-21 21:59:12 -----
Cmd line: com.android.phone

<Thread_info>

----- end 503 -----

它显示当前dvm进程的进程id，名字，输出的时间。最重要的所有线程的上下文信息是有函数 dvmDumpAllThreadsEx()里实现的，该函数定义在 thread.c里：

void dvmDumpAllThreadsEx(const DebugOutputTarget* target, bool grabLock)
{
    Thread* thread;

    dvmPrintDebugMessage(target, "DALVIK THREADS:\n");

#ifdef HAVE_ANDROID_OS
    dvmPrintDebugMessage(target,
        "(mutexes: tll=%x tsl=%x tscl=%x ghl=%x hwl=%x hwll=%x)\n",
        gDvm.threadListLock.value,
        gDvm._threadSuspendLock.value,
        gDvm.threadSuspendCountLock.value,
        gDvm.gcHeapLock.value,
        gDvm.heapWorkerLock.value,
        gDvm.heapWorkerListLock.value);
#endif

    if (grabLock)
        dvmLockThreadList(dvmThreadSelf());

    thread = gDvm.threadList;
    while (thread != NULL) {
        dvmDumpThreadEx(target, thread, false);

        /* verify link */
        assert(thread->next == NULL || thread->next->prev == thread);

        thread = thread->next;
    }

    if (grabLock)
        dvmUnlockThreadList();
}

它的输出格式如下：

DALVIK THREADS:
(mutexes: tll=0 tsl=0 tscl=0 ghl=0 hwl=0 hwll=0)
"main" prio=5 tid=1 NATIVE
  | group="main" sCount=1 dsCount=0 obj=0x400246a0 self=0x12770
  | sysTid=503 nice=0 sched=0/0 cgrp=default handle=-1342909272
  | schedstat=( 15165039025 12197235258 23068 ) utm=182 stm=1334 core=0
  at android.os.MessageQueue.nativePollOnce(Native Method)
  at android.os.MessageQueue.next(MessageQueue.java:119)
  at android.os.Looper.loop(Looper.java:122)
  at android.app.ActivityThread.main(ActivityThread.java:4134)
  at java.lang.reflect.Method.invokeNative(Native Method)
  at java.lang.reflect.Method.invoke(Method.java:491)
  at com.android.internal.os.ZygoteInit$MethodAndArgsCaller.run(ZygoteInit.java:841)
  at com.android.internal.os.ZygoteInit.main(ZygoteInit.java:599)
  at dalvik.system.NativeStart.main(Native Method)

至此， 我们可以很清楚的 解析 trace文件中 thread信息的含义了：

1. 第一行是 固定的头, 指明下面的都是 当前运行的 dvm thread ：“DALVIK THREADS:”

2. 第二行输出的是该 进程里各种线程互斥量的值。（具体的互斥量的作用在 dalvik 线程一章 单独陈述）

3. 第三行输出分别是 线程的名字（“main”），线程优先级（“prio=5”），线程id（“tid=1”） 以及线程的 类型（“NATIVE”）

4. 第四行分别是线程所述的线程组 （“main”），线程被正常挂起的次处（“sCount=1”），线程因调试而挂起次数（”dsCount=0“），当前线程所关联的java线程对象（”obj=0x400246a0“）以及该线程本身的地址（“self=0x12770”）。

5. 第五行 显示 线程调度信息。 分别是该线程在linux系统下得本地线程id （“ sysTid=503”），线程的调度有优先级（“nice=0”），调度策略（sched=0/0），优先组属（“cgrp=default”）以及 处理函数地址（“handle=-1342909272”）

6 第六行 显示更多该线程当前上下文，分别是 调度状态（从 /proc/[pid]/task/[tid]/schedstat读出）（“schedstat=( 15165039025 12197235258 23068 )”），以及该线程运行信息 ，它们是 线程用户态下使用的时间值(单位是jiffies）（“utm=182”）， 内核态下得调度时间值（“stm=1334”），以及最后运行改线程的cup标识（“core=0”）；

7.后面几行输出 该线程 调用栈。

有了以上信息，我们便更容易分析出app是为什么被异常终止的了。我们会在单独的一章分析， 怎样利用trace文件里的信息寻找app异常终止的原因。敬请期待。