macOS GCD - Grand Central Dispatch

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기본 정보

Grand Central Dispatch (GCD), 또는 libdispatch(libdispatch.dyld),은 macOS와 iOS 모두에서 사용할 수 있습니다. 이는 Apple이 개발한 기술로, 멀티코어 하드웨어에서 동시(멀티스레드) 실행을 최적화하기 위한 애플리케이션 지원을 위한 기술입니다.

GCD는 애플리케이션이 블록 객체 형태로 작업을 제출할 수 있는 FIFO 큐를 제공하고 관리합니다. 디스패치 큐에 제출된 블록은 시스템에 의해 완전히 관리되는 스레드 풀에서 실행됩니다. GCD는 디스패치 큐에서 작업을 실행하기 위해 자동으로 스레드를 생성하고 해당 작업을 사용 가능한 코어에서 실행할 수 있도록 일정을 조정합니다.

요약하면, 병렬로 코드를 실행하기 위해 프로세스는 GCD에 코드 블록을 보낼 수 있으며, GCD가 그 실행을 처리합니다. 따라서 프로세스는 새로운 스레드를 생성하지 않습니다; GCD는 자체 스레드 풀로 주어진 코드를 실행합니다(필요에 따라 증가 또는 감소할 수 있음).

이는 병렬 실행을 성공적으로 관리하는 데 매우 도움이 되며, 프로세스가 생성하는 스레드 수를 크게 줄이고 병렬 실행을 최적화합니다. 이는 큰 병렬성(무차별 대입?)을 필요로 하는 작업이나 주 스레드를 차단해서는 안 되는 작업에 이상적입니다. 예를 들어, iOS의 주 스레드는 UI 상호작용을 처리하므로 앱이 멈추는 것을 방지해야 하는 다른 기능(검색, 웹 접근, 파일 읽기 등)은 이 방식으로 처리됩니다.

블록

블록은 코드의 독립된 섹션 (인수를 사용하여 값을 반환하는 함수와 유사)이며 바운드 변수를 지정할 수도 있습니다. 그러나 컴파일러 수준에서는 블록이 존재하지 않고 os_object입니다. 이러한 객체 각각은 두 개의 구조체로 구성됩니다:

• 블록 리터럴:

• 블록의 클래스를 가리키는 isa 필드로 시작합니다:

• NSConcreteGlobalBlock(__DATA.__const의 블록)

• NSConcreteMallocBlock (힙에 있는 블록)

• NSConcreateStackBlock (스택에 있는 블록)

• 블록 설명자에 존재하는 필드를 나타내는 flags 및 일부 예약된 바이트

• 호출할 함수 포인터

• 블록 설명자에 대한 포인터

• 가져온 변수(있는 경우)

• 블록 설명자: 존재하는 데이터에 따라 크기가 달라집니다(이전 플래그에서 지정된대로)

• 일부 예약된 바이트

• 크기

• 보통 매개변수에 필요한 공간이 얼마나 필요한지 알기 위해 Objective-C 스타일 서명을 가리키는 포인터가 포함됩니다(플래그 BLOCK_HAS_SIGNATURE)

• 변수가 참조되는 경우, 이 블록은 값 복사 도우미(처음 값 복사) 및 해제 도우미(해제)에 대한 포인터도 가질 것입니다.

큐

디스패치 큐는 블록을 실행하기 위한 FIFO 순서를 제공하는 이름이 지정된 객체입니다.

블록은 실행을 위해 큐에 설정되며, 이러한 큐는 DISPATCH_QUEUE_SERIAL 및 DISPATCH_QUEUE_CONCURRENT 두 가지 모드를 지원합니다. 물론 시리얼은 경쟁 조건이 발생하지 않을 것이므로 이전 블록이 완료될 때까지 다음 블록이 실행되지 않습니다. 그러나 다른 유형의 큐는 그렇지 않을 수 있습니다.

기본 큐:

• .main-thread: dispatch_get_main_queue()에서

• .libdispatch-manager: GCD의 큐 관리자

• .root.libdispatch-manager: GCD의 큐 관리자

• .root.maintenance-qos: 가장 낮은 우선순위 작업

• .root.maintenance-qos.overcommit

• .root.background-qos: DISPATCH_QUEUE_PRIORITY_BACKGROUND로 사용 가능

• .root.background-qos.overcommit

• .root.utility-qos: DISPATCH_QUEUE_PRIORITY_NON_INTERACTIVE로 사용 가능

• .root.utility-qos.overcommit

• .root.default-qos: DISPATCH_QUEUE_PRIORITY_DEFAULT로 사용 가능

• .root.background-qos.overcommit

• .root.user-initiated-qos: DISPATCH_QUEUE_PRIORITY_HIGH로 사용 가능

• .root.background-qos.overcommit

• .root.user-interactive-qos: 가장 높은 우선순위

• .root.background-qos.overcommit

각 시점에서 시스템이 어떤 스레드가 어떤 큐를 처리할지 결정합니다(여러 스레드가 동일한 큐에서 작업할 수도 있고 동일한 스레드가 어느 시점에서는 다른 큐에서 작업할 수도 있음)

속성

**dispatch_queue_create**로 큐를 생성할 때 세 번째 인수는 dispatch_queue_attr_t이며, 일반적으로 DISPATCH_QUEUE_SERIAL(실제로는 NULL) 또는 DISPATCH_QUEUE_CONCURRENT(큐의 일부 매개변수를 제어할 수 있는 dispatch_queue_attr_t 구조체에 대한 포인터) 중 하나입니다.

디스패치 객체

libdispatch가 사용하는 여러 객체가 있으며, 큐와 블록은 그 중 2개뿐입니다. 이러한 객체를 dispatch_object_create로 생성할 수 있습니다:

• block

• data: 데이터 블록

• group: 블록 그룹

• io: 비동기 I/O 요청

• mach: Mach 포트

• mach_msg: Mach 메시지

• pthread_root_queue: pthread 스레드 풀 및 작업 큐가 없는 큐

• queue

• semaphore

• source: 이벤트 소스

Objective-C

Objective-C에서는 병렬로 실행할 블록을 보내기 위한 다양한 함수가 있습니다:

• dispatch_async: 블록을 디스패치 큐에서 비동기로 실행하고 즉시 반환합니다.

• dispatch_sync: 블록 객체를 실행하고 해당 블록이 실행을 마친 후에 반환합니다.

• dispatch_once: 애플리케이션의 수명 동안 블록 객체를 한 번만 실행합니다.

• dispatch_async_and_wait: 작업 항목을 실행하고 해당 작업이 완료될 때까지만 반환합니다. dispatch_sync와 달리 이 함수는 큐의 모든 속성을 존준하여 블록을 실행합니다.

이러한 함수는 다음 매개변수를 기대합니다: dispatch_queue_t queue, dispatch_block_t block

이것이 블록의 구조입니다:

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

그리고 이것은 **dispatch_async**를 사용하여 병렬성을 사용하는 예시입니다:

#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**은 C로 원래 작성된 Grand Central Dispatch (GCD) 프레임워크에 대한 Swift 바인딩을 제공하는 라이브러리입니다. libswiftDispatch 라이브러리는 C GCD API를 더 Swift 친화적 인터페이스로 래핑하여 Swift 개발자가 GCD와 더 쉽고 직관적으로 작업할 수 있도록 합니다.

• 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"))

코드 예시:

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
}
}

프리다

다음 프리다 스크립트를 사용하여 여러 dispatch 함수에 후크하여 대기열 이름, 백트레이스 및 블록을 추출할 수 있습니다: 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

현재 Ghidra는 ObjectiveC dispatch_block_t 구조와 swift_dispatch_block 구조를 이해하지 못합니다.

그러므로 이를 이해하도록 하려면 그냥 선언해야 합니다:

그런 다음, 코드에서 사용되는 위치를 찾으세요:

"block"에 대한 모든 참조를 주목하여 해당 구조체가 사용되는 방법을 이해할 수 있습니다.

변수를 마우스 오른쪽 클릭 -> 변수 유형 변경을 선택하고 이 경우에는 **swift_dispatch_block**을 선택하세요:

Ghidra가 자동으로 모든 것을 다시 작성할 것입니다:

References

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