macOS GCD - Grand Central Dispatch

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Basic Information

Grand Central Dispatch (GCD)，也称为libdispatch（libdispatch.dyld），在macOS和iOS中均可用。它是苹果公司开发的一项技术，旨在优化应用程序对多核硬件的并发（多线程）执行的支持。

GCD提供并管理FIFO队列，您的应用程序可以以块对象的形式提交任务。提交到调度队列的块将在系统完全管理的线程池上执行。GCD会自动创建线程以执行调度队列中的任务，并安排这些任务在可用核心上运行。

总之，为了并行执行代码，进程可以将代码块发送到GCD，GCD将负责其执行。因此，进程不会创建新线程；GCD使用其自己的线程池执行给定的代码（线程池可能根据需要增加或减少）。

这对于成功管理并行执行非常有帮助，极大地减少了进程创建的线程数量，并优化了并行执行。这对于需要高度并行性（暴力破解？）的任务或不应阻塞主线程的任务是理想的：例如，iOS上的主线程处理UI交互，因此任何可能导致应用程序挂起的其他功能（搜索、访问网页、读取文件等）都是以这种方式管理的。

Blocks

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

• 块字面量：

• 它以**isa**字段开始，指向块的类：

• NSConcreteGlobalBlock（来自__DATA.__const的块）

• NSConcreteMallocBlock（堆中的块）

• NSConcreateStackBlock（栈中的块）

• 它具有**flags**（指示块描述符中存在的字段）和一些保留字节

• 调用的函数指针

• 指向块描述符的指针

• 导入的块变量（如果有）

• 块描述符：其大小取决于存在的数据（如前面标志所示）

• 它具有一些保留字节

• 它的大小

• 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（标志BLOCK_HAS_SIGNATURE）

• 如果引用了变量，则此块还将具有指向复制助手（在开始时复制值）和处置助手（释放它）的指针。

Queues

调度队列是一个命名对象，提供块的FIFO执行顺序。

块被设置在队列中以供执行，这些队列支持两种模式：DISPATCH_QUEUE_SERIAL和DISPATCH_QUEUE_CONCURRENT。当然，串行队列不会有竞争条件问题，因为块不会在前一个块完成之前执行。但是另一种类型的队列可能会有。

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，系统将决定在每个时刻哪个线程处理哪个队列（多个线程可能在同一队列中工作，或者同一线程可能在某些时刻在不同队列中工作）

Attributtes

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

Dispatch objects

libdispatch使用多个对象，队列和块只是其中两个。可以使用dispatch_object_create创建这些对象：

• block

• data：数据块

• group：块组

• io：异步I/O请求

• mach：Mach端口

• mach_msg：Mach消息

• pthread_root_queue：具有pthread线程池而不是工作队列的队列

• queue

• semaphore

• source：事件源

Objective-C

在Objective-C中，有不同的函数可以将块发送到并行执行：

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

• dispatch_sync：提交一个块对象以执行，并在该块完成执行后返回。

• dispatch_once：在应用程序的生命周期内仅执行一次块对象。

• dispatch_async_and_wait：提交一个工作项以执行，并仅在其完成执行后返回。与dispatch_sync不同，此函数在执行块时尊重队列的所有属性。

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

这是块的结构：

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

这是一个使用 parallelism 和 dispatch_async 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，提供 Swift 绑定 到最初用 C 编写的 Grand Central Dispatch (GCD) 框架。 libswiftDispatch 库将 C GCD API 封装在一个更适合 Swift 的接口中，使 Swift 开发者更容易和直观地使用 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**钩取多个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 既不理解 ObjectiveC dispatch_block_t 结构，也不理解 swift_dispatch_block 结构。

所以如果你想让它理解这些结构，你可以声明它们：

然后，找到代码中使用它们的地方：

注意所有提到“block”的引用，以了解你如何能够判断该结构正在被使用。

右键单击变量 -> 重新定义变量，并在这种情况下选择 swift_dispatch_block：

Ghidra 将自动重写所有内容：

References

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

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