macOS GCD - Grand Central Dispatch

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基本信息

Grand Central Dispatch (GCD)，也被称为 libdispatch (libdispatch.dyld)，在 macOS 和 iOS 中都可用。这是由 Apple 开发的技术，用于优化应用程序在多核硬件上的并发（多线程）执行支持。

GCD 提供并管理 FIFO 队列，您的应用程序可以将任务以 block 对象的形式提交到这些队列中。提交到调度队列的块会在系统完全管理的线程池上执行。GCD 会自动为在调度队列中执行任务创建线程，并安排这些任务在可用核心上运行。

简而言之，为了在 并行 中执行代码，进程可以将 代码块发送到 GCD，GCD 将负责执行这些代码。因此，进程不会创建新线程；GCD 使用自己的线程池执行给定的代码（根据需要可能会增加或减少）。

这对于成功管理并行执行非常有帮助，大大减少了进程创建的线程数量，并优化了并行执行。这对于需要 很高的并行性（暴力破解？）或者不应阻塞主线程的任务非常理想：例如，在 iOS 上，主线程处理 UI 交互，因此通过这种方式管理任何可能使应用程序挂起的其他功能（搜索、访问网页、读取文件等）。

代码块

代码块是一个自包含的代码段（类似于带参数返回值的函数），还可以指定绑定变量。 然而，在编译器级别，代码块不存在，它们是 os_object。每个对象由两个结构组成：

• 代码块文字：

• 它以指向代码块类的 isa 字段开头：

  • NSConcreteGlobalBlock（来自 __DATA.__const 的代码块）

  • NSConcreteMallocBlock（堆中的代码块）

  • NSConcreateStackBlock（栈中的代码块）

• 它具有 flags（指示代码块描述符中存在的字段）和一些保留字节

• 要调用的函数指针

• 指向代码块描述符的指针

• 导入的代码块变量（如果有）

• 代码块描述符：其大小取决于存在的数据（如前面的标志所示）

• 它有一些保留字节

• 其大小

• 通常会有一个指向 Objective-C 风格签名的指针，以了解参数所需的空间大小（标志 BLOCK_HAS_SIGNATURE）

• 如果引用了变量，此代码块还将具有指向复制助手（在开始时复制值）和释放助手（释放值）的指针。

队列

调度队列是提供代码块按先进先出顺序执行的命名对象。

将代码块设置在队列中以执行，这些队列支持 2 种模式：DISPATCH_QUEUE_SERIAL 和 DISPATCH_QUEUE_CONCURRENT。当然，串行 队列 不会出现竞争条件 问题，因为代码块在前一个完成之前不会执行。但是 另一种类型的队列可能会出现。

默认队列：

• .main-thread：来自 dispatch_get_main_queue()

• .libdispatch-manager：GCD 的队列管理器

• .root.libdispatch-manager：GCD 的队列管理器

• .root.maintenance-qos：最低优先级任务

• .root.maintenance-qos.overcommit

• .root.background-qos：可用作 DISPATCH_QUEUE_PRIORITY_BACKGROUND

• .root.background-qos.overcommit

• .root.utility-qos：可用作 DISPATCH_QUEUE_PRIORITY_NON_INTERACTIVE

• .root.utility-qos.overcommit

• .root.default-qos：可用作 DISPATCH_QUEUE_PRIORITY_DEFAULT

• .root.background-qos.overcommit

• .root.user-initiated-qos：可用作 DISPATCH_QUEUE_PRIORITY_HIGH

• .root.background-qos.overcommit

• .root.user-interactive-qos：最高优先级

• .root.background-qos.overcommit

请注意，系统将决定哪些线程在每个时间处理哪些队列（多个线程可能在同一队列中工作，或者同一线程可能在某个时刻在不同队列中工作）

属性

使用 dispatch_queue_create 创建队列时，第三个参数是一个 dispatch_queue_attr_t，通常是 DISPATCH_QUEUE_SERIAL（实际上是 NULL）或 DISPATCH_QUEUE_CONCURRENT，它是一个指向 dispatch_queue_attr_t 结构的指针，允许控制队列的一些参数。

调度对象

libdispatch 使用几种对象，队列和代码块只是其中的 2 种。可以使用 dispatch_object_create 创建这些对象：

• block

• data：数据块

• group：代码块组

• io：异步 I/O 请求

• mach：Mach 端口

• mach_msg：Mach 消息

• pthread_root_queue：具有 pthread 线程池而非工作队列的队列

• queue

• semaphore

• source：事件源

Objective-C

在 Objective-C 中，有不同的函数可用于发送代码块以并行执行：

• dispatch_async：提交一个代码块以在调度队列上异步执行，并立即返回。

• dispatch_sync：提交一个代码块以执行，并在该代码块执行完成后返回。

• dispatch_once：仅在应用程序的生命周期中执行一次代码块。

• dispatch_async_and_wait：提交一个工作项以执行，并仅在其执行完成后返回。与 dispatch_sync 不同，此函数在执行代码块时遵守队列的所有属性。

这些函数期望这些参数：dispatch_queue_t queue, dispatch_block_t block

这是 代码块的结构：

struct Block {
void *isa; // NSConcreteStackBlock,...
int flags;
int reserved;
void *invoke;
struct BlockDescriptor *descriptor;
// captured variables go here
};

以下是使用**dispatch_async进行并行处理**的示例：

#import <Foundation/Foundation.h>

// Define a block
void (^backgroundTask)(void) = ^{
// Code to be executed in the background
for (int i = 0; i < 10; i++) {
NSLog(@"Background task %d", i);
sleep(1);  // Simulate a long-running task
}
};

int main(int argc, const char * argv[]) {
@autoreleasepool {
// Create a dispatch queue
dispatch_queue_t backgroundQueue = dispatch_queue_create("com.example.backgroundQueue", NULL);

// Submit the block to the queue for asynchronous execution
dispatch_async(backgroundQueue, backgroundTask);

// Continue with other work on the main queue or thread
for (int i = 0; i < 10; i++) {
NSLog(@"Main task %d", i);
sleep(1);  // Simulate a long-running task
}
}
return 0;
}

Swift

libswiftDispatch 是一个库，为Grand Central Dispatch (GCD)框架提供了Swift绑定，该框架最初是用C编写的。 **libswiftDispatch**库将C GCD API封装在一个更适合Swift的接口中，使Swift开发人员更容易直观地使用GCD。

• DispatchQueue.global().sync{ ... }

• DispatchQueue.global().async{ ... }

• let onceToken = DispatchOnce(); onceToken.perform { ... }

• async await

• var (data, response) = await URLSession.shared.data(from: URL(string: "https://api.example.com/getData"))

代码示例：

import Foundation

// Define a closure (the Swift equivalent of a block)
let backgroundTask: () -> Void = {
for i in 0..<10 {
print("Background task \(i)")
sleep(1)  // Simulate a long-running task
}
}

// Entry point
autoreleasepool {
// Create a dispatch queue
let backgroundQueue = DispatchQueue(label: "com.example.backgroundQueue")

// Submit the closure to the queue for asynchronous execution
backgroundQueue.async(execute: backgroundTask)

// Continue with other work on the main queue
for i in 0..<10 {
print("Main task \(i)")
sleep(1)  // Simulate a long-running task
}
}

Frida

以下Frida脚本可用于钩入多个dispatch函数并提取队列名称、回溯和块：https://github.com/seemoo-lab/frida-scripts/blob/main/scripts/libdispatch.js

frida -U <prog_name> -l libdispatch.js

dispatch_sync
Calling queue: com.apple.UIKit._UIReusePool.reuseSetAccess
Callback function: 0x19e3a6488 UIKitCore!__26-[_UIReusePool addObject:]_block_invoke
Backtrace:
0x19e3a6460 UIKitCore!-[_UIReusePool addObject:]
0x19e3a5db8 UIKitCore!-[UIGraphicsRenderer _enqueueContextForReuse:]
0x19e3a57fc UIKitCore!+[UIGraphicsRenderer _destroyCGContext:withRenderer:]
[...]

Ghidra

目前 Ghidra 无法理解 ObjectiveC dispatch_block_t 结构，也无法理解 swift_dispatch_block 结构。

因此，如果你希望它能够理解它们，你可以简单地 声明它们：

然后，在代码中找到它们被 使用 的地方：

注意所有提到 "block" 的引用，以了解如何确定该结构体正在被使用。

右键点击变量 -> 重新定义变量，然后选择这种情况下的 swift_dispatch_block：

Ghidra 将自动重写所有内容：

参考资料

• *OS Internals, Volume I: User Mode. By Jonathan Levin

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