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iOS 异常捕获原理详解

news 2026/1/5 14:37:20

iOS 异常捕获涉及 Objective-C/Swift 语言层面、运行时机制及系统底层信号处理，主要分为OC/Swift 异常捕获、崩溃信号捕获和自定义异常处理三类，以下从原理、机制到实现细节详细解析：

一、Objective-C 异常捕获原理

1. OC 异常的本质

OC 异常基于 NSException 类实现，本质是运行时抛出的对象，通过 @throw 主动抛出或系统自动触发（如数组越界、未识别的 selector）。异常抛出后会中断当前代码执行流程，沿调用栈向上传播，直到被 @try/@catch 捕获。

2. `@try/@catch` 捕获机制

原理：编译器会将 @try 块代码标记为 “受保护区域”，@catch 块注册为异常处理器，@finally 块则确保无论是否捕获异常都会执行。
底层实现：
- 运行时通过 objc_exception_throw 函数抛出异常，该函数会遍历当前线程的调用栈，寻找匹配的 @catch 处理器；
- 若未找到处理器，最终会调用 objc_terminate 终止程序（即崩溃）。

示例：

objc
 
@try {NSArray *array = @[@1, @2];NSLog(@"%@", array[3]); // 数组越界，抛出 NSRangeException
} @catch (NSException *exception) {NSLog(@"捕获异常：%@", exception.reason); // 捕获并处理
} @finally {NSLog(@"必执行块");
}

3. 局限性

仅能捕获OC 层面的异常（如 NSException），无法捕获底层崩溃（如野指针、内存访问错误）；
Swift 中默认禁用 OC 异常传播（需手动开启），且 Swift 错误处理优先使用 Error 协议而非异常。

二、Swift 错误处理与异常捕获

1. Swift 错误处理（Error 协议）

Swift 不推荐使用异常，而是通过错误抛出（throw）- 捕获（do-catch） 机制处理预期错误，本质是类型安全的错误传递：

遵循 Error 协议的枚举定义错误类型；
通过 throws 标记可能抛出错误的函数；
用 do-catch 捕获并处理错误。

示例：

swift
 
enum NetworkError: Error {case requestTimeoutcase invalidURL
}func fetchData(url: String) throws {guard url.starts(with: "https") else {throw NetworkError.invalidURL}
}do {try fetchData(url: "http://example.com")
} catch let error as NetworkError {print("网络错误：\(error)")
}

2. Swift 中捕获 OC 异常

Swift 默认不处理 OC 抛出的 NSException，需通过桥接 OC 代码或运行时拦截实现捕获：

方式 1：封装 OC 异常捕获方法，Swift 调用：

objc
 
// OC 工具类：ExceptionCatcher.h
+ (BOOL)catchException:(void(^)(void))tryBlock error:(NSError **)error;

objc
 
// ExceptionCatcher.m
+ (BOOL)catchException:(void(^)(void))tryBlock error:(NSError **)error {@try {tryBlock();return YES;} @catch (NSException *exception) {*error = [NSError errorWithDomain:exception.name code:-1 userInfo:@{NSLocalizedDescriptionKey: exception.reason}];return NO;}
}

Swift 中调用：

swift
 
var error: NSError?
let success = ExceptionCatcher.catchException({let array = NSArray(array: [1,2])_ = array[3] // OC 数组越界
}, error: &error)

三、底层崩溃信号捕获（Signal）

iOS 中大部分崩溃（如野指针、内存错误、CPU 异常）属于底层信号，需通过信号处理器（Signal Handler） 捕获，原理如下：

1. 信号的本质

信号是操作系统向进程发送的中断通知，表示发生了异常事件（如内存访问错误对应 SIGSEGV，非法指令对应 SIGILL）。iOS 中常见崩溃信号：

SIGSEGV：段错误（访问无效内存地址）；
SIGBUS：总线错误（内存对齐错误）；
SIGABRT：程序主动终止（如 abort() 调用）；
SIGFPE：浮点运算错误；
SIGILL：非法指令。

2. 信号捕获机制

通过 signal() 或 sigaction() 函数注册自定义信号处理器，拦截系统默认信号处理逻辑；
捕获信号后，可收集崩溃现场信息（调用栈、寄存器、设备信息），保存日志或上传服务器。
关键限制：
- 信号处理器中不能调用 OC/Swift 方法（运行时可能已损坏），需用纯 C 代码实现；
- 部分信号（如 SIGKILL）无法被捕获或忽略。

3. 实现示例（捕获 SIGSEGV）

c
 
运行
 
// 导入头文件
#include <signal.h>
#include <execinfo.h>void handleSignal(int signal) {// 收集调用栈void *callStack[128];int frames = backtrace(callStack, 128);char **stackSymbols = backtrace_symbols(callStack, frames);// 保存日志（示例：打印到控制台）for (int i = 0; i < frames; i++) {printf("%s\n", stackSymbols[i]);}free(stackSymbols);// 恢复系统默认处理器（避免死循环）signal(signal, SIG_DFL);raise(signal); // 让系统正常终止程序
}// 注册信号处理器
void registerSignalHandler() {signal(SIGSEGV, handleSignal); // 段错误signal(SIGBUS, handleSignal);  // 总线错误signal(SIGABRT, handleSignal); // 程序终止
}

四、Mach 异常捕获（更底层）

iOS 基于 Mach 内核，信号本质是 Mach 异常的 “上层封装”。通过注册Mach 异常端口，可在信号触发前捕获更底层的异常：

1. Mach 异常机制

每个线程 / 任务都有异常端口（Exception Port），当发生 Mach 异常（如 EXC_BAD_ACCESS），内核会向异常端口发送消息；
自定义异常端口可拦截这些消息，实现比信号更早期的异常处理。

2. 实现步骤

创建 Mach 端口并注册为线程 / 任务的异常端口；
启动后台线程监听异常端口消息；
解析异常信息（如异常类型、线程 ID、地址），收集崩溃数据。

注意：Mach 异常捕获需处理内核级消息交互，实现复杂，通常用于专业崩溃监控框架（如 Crashlytics、Bugly）。

五、崩溃捕获框架原理（以 PLCrashReporter 为例）

主流崩溃监控框架（如 PLCrashReporter、KSCrash）整合了信号捕获、Mach 异常捕获和OC 异常捕获，核心流程：

启动时注册信号处理器和 Mach 异常端口；
异常发生时，暂停所有线程（避免数据竞争）；
通过 backtrace()/dladdr() 解析调用栈，还原符号（类名、方法名）；
将崩溃信息（调用栈、设备信息、系统版本）保存到本地日志；
下次启动时上传日志到服务器。

六、关键注意事项

异常捕获的时效性：
- OC @try/@catch 仅能捕获预期异常，无法处理底层崩溃；
- 信号 / Mach 异常捕获需在程序启动早期注册（如 main 函数开始时），避免遗漏崩溃。
线程安全：
- 信号处理器中不能操作共享资源（如全局变量），需用原子操作或锁；
- 捕获崩溃后应尽快终止程序，避免不稳定状态。
符号还原：
- 崩溃日志中的地址需通过 dSYM 文件和 atos 工具还原为可读符号（类名、方法名）。

总结

iOS 异常捕获需分层处理：

OC 层面：用 @try/@catch 处理 NSException；
Swift 层面：用 do-catch 处理 Error，通过桥接 OC 捕获 NSException；
底层崩溃：用信号处理器捕获系统信号，通过 Mach 异常捕获更底层错误；
实际开发中，推荐使用成熟框架（如 PLCrashReporter）实现全量崩溃监控，同时在业务层用 do-catch/@try/@catch 处理预期错误。