iOS 异常捕获原理详解

1. iOS 异常基础

在 iOS 中，异常（Exception）是指程序运行过程中出现的非正常情况，导致应用无法继续正常执行，通常表现为应用崩溃。异常类型从底层到上层包括：

Mach 异常 由操作系统内核引发，如访问无效内存地址、除零错误等，属于底层异常机制。
BSD Signal 异常 Mach 异常在 BSD 层的表现形式，常见信号有：
- SIGSEGV（段错误）
- SIGBUS（总线错误）
- SIGABRT（异常终止）等。
应用层 Objective-C 异常（NSException） 应用层异常机制，用于运行时异常处理。
Swift Error 错误处理机制，处理可恢复错误，不是真正意义上的异常。

2. iOS 异常捕获机制

2.1 Mach 异常

Mach 异常通过异常端口（exception_port）转换为 BSD Signal。
常见 Mach 异常及对应 BSD Signal：

Mach 异常类型	BSD Signal	说明
EXC_BAD_ACCESS	SIGSEGV/SIGBUS	内存访问错误，具体信号取决于访问错误类型
EXC_BAD_INSTRUCTION	SIGILL	非法指令错误
EXC_ARITHMETIC	SIGFPE	算术运算错误
EXC_BREAKPOINT	SIGTRAP	断点异常
EXC_SOFTWARE	SIGABRT	软件触发的异常
EXC_GUARD	SIGSYS	系统调用错误

某些 Mach 异常只能在 Mach 层处理，如 EXC_RESOURCE、EXC_GUARD、EXC_CORPSE_NOTIFY。
Mach Exception Handler 通过 task_get_exception_ports 获取异常端口，使用 task_set_exception_ports 设置异常处理端口，实现底层异常处理。

arduino 复制代码

kern_return_t task_set_exception_ports(
    task_t task,
    exception_mask_t exception_mask,
    mach_port_t exception_port,
    exception_behavior_t behavior,
    thread_state_flavor_t flavor
);

异常处理流程包括获取异常信息、线程状态、记录现场和资源清理。

2.2 BSD Signal

通过 signal_handler() 注册信号处理器。
示例代码：

arduino 复制代码

#include <signal.h>

void SignalHandler(int signal) {
    switch (signal) {
        case SIGSEGV: break;
        case SIGBUS: break;
        case SIGABRT: break;
        case SIGILL: break;
        case SIGFPE: break;
        default: break;
    }
    NSString *callStack = [NSThread callStackSymbols].description;
    NSLog(@"调用栈信息:\n%@", callStack);
    exit(signal);
}

void RegisterSignalHandler(void) {
    signal(SIGSEGV, SignalHandler);
    signal(SIGBUS, SignalHandler);
    signal(SIGABRT, SignalHandler);
    signal(SIGILL, SignalHandler);
    signal(SIGFPE, SignalHandler);
}

BSD Signal 与 NSException 是独立机制，Signal 不会自动转换为 NSException。

2.3 应用层异常处理

Objective-C 异常处理

使用 @try-@catch-@finally 语法：

scss 复制代码

@try {
    NSArray *array = @[];
    id obj = array[1]; // 越界异常
} @catch (NSException *exception) {
    NSLog(@"捕获到异常：%@", exception);
    NSLog(@"异常名称：%@", exception.name);
    NSLog(@"异常原因：%@", exception.reason);
    NSLog(@"异常调用栈：%@", exception.callStackSymbols);
} @finally {
   // 无论是否发生异常，这里都会执行
    NSLog(@"执行清理工作");
}

注册全局未捕获异常处理器：

scss 复制代码

static void UncaughtExceptionHandler(NSException *exception) {
    NSString *exceptionInfo = [NSString stringWithFormat:        @"异常名称：%@\n异常原因：%@\n异常堆栈：%@",        [exception name], [exception reason], [exception callStackSymbols]];
    NSLog(@"%@", exceptionInfo);
}

NSSetUncaughtExceptionHandler(&UncaughtExceptionHandler);

Swift 错误处理

使用 Error 协议和 do-catch 语法：

swift 复制代码

enum NetworkError: Error {
    case badURL
    case noData
    case parseError
}

func fetchData(from urlString: String) throws -> Data {
    guard let url = URL(string: urlString) else { throw NetworkError.badURL }
    guard let data = try? Data(contentsOf: url) else { throw NetworkError.noData }
    return data
}

do {
    let data = try fetchData(from: "https://xxx.xx.com")
    // 处理数据
} catch NetworkError.badURL {
    print("无效的 URL")
} catch NetworkError.noData {
    print("没有数据")
} catch {
    print("其他错误：(error)")
}

3. 异常信息的处理和分析

3.1 关键信息提取

收集异常类型、原因、时间、线程信息。
记录设备型号、iOS 版本、App 版本、是否越狱等环境信息。
采集调用栈、内存使用、CPU 占用、系统日志等运行时状态。

3.2 堆栈符号化

概念：将崩溃时的内存地址转换为函数名、文件名、行号。
dSYM 文件结构：
- 符号表（Symbol Table）：函数名、地址映射。
- 调试信息（DWARF）：源代码文件名、行号等。
符号化流程：
1. 地址解析：提取崩溃日志中的内存地址。
2. 符号查找：在 dSYM 中定位符号。
3. 调试信息解析：获取文件名和行号。
4. 信息整合：生成可读堆栈信息。
工具示例：atos、symbolicatecrash。

3.3 上下文信息获取

内存信息：应用内存用量、系统可用内存、内存警告。
线程信息：线程状态、优先级、依赖关系。
系统信息：系统负载、关键日志、其他进程状态。
用户行为：操作路径、行为日志、网络请求记录。

通过系统化信息收集和关联，开发者能准确定位崩溃环境和触发条件，复现问题，分析根因，制定修复方案。

iOS 异常捕获流程图

flowchart TD A[异常发生] --> B{Mach 异常?} B -- 是 --> C[Mach Exception Handler 处理] C --> D{处理成功?} D -- 是 --> E[异常处理完成] D -- 否 --> F[转换为 BSD Signal] B -- 否 --> F F --> G[信号处理函数 Signal Handler] G --> H{处理成功?} H -- 是 --> E H -- 否 --> I[触发应用层 Objective-C 异常 NSException] I --> J[try-catch 捕获异常] J --> K{捕获成功?} K -- 是 --> E K -- 否 --> L[调用 NSSetUncaughtExceptionHandler] L --> E E --> M[异常信息收集与记录] M --> N[堆栈符号化] N --> O[异常分析与定位] O --> P[修复与优化]

总结

iOS 异常捕获机制涵盖从底层 Mach 异常、BSD Signal 到应用层 Objective-C 和 Swift 的错误处理。异常发生后，系统通过多层机制捕获异常，收集丰富的环境和运行时信息，结合堆栈符号化技术，帮助开发者快速定位和修复问题，保障应用的稳定性和用户体验。