macOS GCD - Grand Central Dispatch

Basic Information

Grand Central Dispatch (GCD), também conhecido como libdispatch (libdispatch.dyld), está disponível tanto no macOS quanto no iOS. É uma tecnologia desenvolvida pela Apple para otimizar o suporte a aplicativos para execução concorrente (multithreaded) em hardware multicore.

GCD fornece e gerencia filas FIFO às quais seu aplicativo pode enviar tarefas na forma de objetos de bloco. Blocos enviados para filas de dispatch são executados em um pool de threads totalmente gerenciado pelo sistema. O GCD cria automaticamente threads para executar as tarefas nas filas de dispatch e agenda essas tarefas para serem executadas nos núcleos disponíveis.

Isso é muito útil para gerenciar a execução paralela com sucesso, reduzindo significativamente o número de threads que os processos criam e otimizando a execução paralela. Isso é ideal para tarefas que requerem grande paralelismo (força bruta?) ou para tarefas que não devem bloquear a thread principal: Por exemplo, a thread principal no iOS lida com interações de UI, então qualquer outra funcionalidade que poderia fazer o aplicativo travar (buscando, acessando um site, lendo um arquivo...) é gerenciada dessa forma.

Blocks

Um bloco é uma seção de código autocontida (como uma função com argumentos retornando um valor) e também pode especificar variáveis vinculadas. No entanto, no nível do compilador, os blocos não existem, eles são os_objects. Cada um desses objetos é formado por duas estruturas:

• literal de bloco:

• Começa pelo campo isa, apontando para a classe do bloco:

• NSConcreteGlobalBlock (blocos de __DATA.__const)

• NSConcreteMallocBlock (blocos na heap)

• NSConcreateStackBlock (blocos na pilha)

• Tem flags (indicando campos presentes no descritor do bloco) e alguns bytes reservados

• O ponteiro da função a ser chamada

• Um ponteiro para o descritor do bloco

• Variáveis importadas do bloco (se houver)

• descritor de bloco: Seu tamanho depende dos dados que estão presentes (como indicado nas flags anteriores)

• Tem alguns bytes reservados

• O tamanho dele

• Geralmente terá um ponteiro para uma assinatura no estilo Objective-C para saber quanto espaço é necessário para os parâmetros (flag BLOCK_HAS_SIGNATURE)

• Se variáveis forem referenciadas, este bloco também terá ponteiros para um helper de cópia (copiando o valor no início) e um helper de descarte (liberando-o).

Queues

Uma fila de dispatch é um objeto nomeado que fornece ordenação FIFO de blocos para execuções.

Os blocos são definidos em filas para serem executados, e essas suportam 2 modos: DISPATCH_QUEUE_SERIAL e DISPATCH_QUEUE_CONCURRENT. Claro que a serial não terá problemas de condição de corrida, pois um bloco não será executado até que o anterior tenha terminado. Mas o outro tipo de fila pode ter.

Filas padrão:

• .main-thread: De dispatch_get_main_queue()

• .libdispatch-manager: Gerenciador de filas do GCD

• .root.libdispatch-manager: Gerenciador de filas do GCD

• .root.maintenance-qos: Tarefas de prioridade mais baixa

• .root.maintenance-qos.overcommit

• .root.background-qos: Disponível como DISPATCH_QUEUE_PRIORITY_BACKGROUND

• .root.background-qos.overcommit

• .root.utility-qos: Disponível como DISPATCH_QUEUE_PRIORITY_NON_INTERACTIVE

• .root.utility-qos.overcommit

• .root.default-qos: Disponível como DISPATCH_QUEUE_PRIORITY_DEFAULT

• .root.background-qos.overcommit

• .root.user-initiated-qos: Disponível como DISPATCH_QUEUE_PRIORITY_HIGH

• .root.background-qos.overcommit

• .root.user-interactive-qos: Maior prioridade

• .root.background-qos.overcommit

Observe que será o sistema quem decidirá quais threads lidam com quais filas a cada momento (múltiplas threads podem trabalhar na mesma fila ou a mesma thread pode trabalhar em diferentes filas em algum momento)

Atributos

Ao criar uma fila com dispatch_queue_create, o terceiro argumento é um dispatch_queue_attr_t, que geralmente é DISPATCH_QUEUE_SERIAL (que na verdade é NULL) ou DISPATCH_QUEUE_CONCURRENT, que é um ponteiro para uma estrutura dispatch_queue_attr_t que permite controlar alguns parâmetros da fila.

Objetos de Dispatch

Existem vários objetos que a libdispatch usa e filas e blocos são apenas 2 deles. É possível criar esses objetos com dispatch_object_create:

• block

• data: Blocos de dados

• group: Grupo de blocos

• io: Solicitações de I/O assíncronas

• mach: Portas Mach

• mach_msg: Mensagens Mach

• pthread_root_queue: Uma fila com um pool de threads pthread e não workqueues

• queue

• semaphore

• source: Fonte de evento

Objective-C

Em Objective-C, existem diferentes funções para enviar um bloco para ser executado em paralelo:

• dispatch_async: Envia um bloco para execução assíncrona em uma fila de dispatch e retorna imediatamente.

• dispatch_sync: Envia um objeto de bloco para execução e retorna após esse bloco terminar de executar.

• dispatch_once: Executa um objeto de bloco apenas uma vez durante a vida útil de um aplicativo.

• dispatch_async_and_wait: Envia um item de trabalho para execução e retorna apenas após ele terminar de executar. Ao contrário de dispatch_sync, esta função respeita todos os atributos da fila ao executar o bloco.

Essas funções esperam esses parâmetros: dispatch_queue_t queue, dispatch_block_t block

Esta é a estrutura de um Bloco:

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

E este é um exemplo de usar parallelism com dispatch_async:

#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 é uma biblioteca que fornece bindings Swift para o framework Grand Central Dispatch (GCD), que foi originalmente escrito em C. A biblioteca libswiftDispatch envolve as APIs C do GCD em uma interface mais amigável ao Swift, facilitando e tornando mais intuitivo para os desenvolvedores Swift trabalharem com o 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"))

Exemplo de código:

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

O seguinte script Frida pode ser usado para interceptar várias funções dispatch e extrair o nome da fila, o backtrace e o bloco: 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

Atualmente, o Ghidra não entende nem a estrutura dispatch_block_t do ObjectiveC, nem a swift_dispatch_block.

Então, se você quiser que ele as entenda, você pode declará-las:

Em seguida, encontre um lugar no código onde elas são usadas:

Clique com o botão direito na variável -> Retype Variable e selecione, neste caso, swift_dispatch_block:

O Ghidra reescreverá automaticamente tudo:

References

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