引言

在 Android 系统中，ART（Android Runtime）虚拟机负责执行应用程序的字节码，并管理内存、垃圾回收等核心功能。为了处理运行时的异常（如空指针、栈溢出）和系统信号（如 SIGSEGV、SIGBUS），ART 实现了一套复杂的信号处理机制。本文将通过源码分析，深入探讨 ART 如何通过 Hook sigaction 构建信号链，并管理信号处理的全流程。

一、为什么需要 Hook sigaction？

Linux 系统的信号处理机制允许用户注册自定义处理函数来响应特定信号（如 SIGSEGV 表示段错误）。默认情况下，开发者可以通过 sigaction 函数注册处理逻辑。然而，在 ART 虚拟机中，需要更精细地控制信号处理流程，原因包括：

优先级管理：ART 需要在用户注册的处理函数之前拦截信号，优先处理虚拟机内部逻辑（如垃圾回收、栈溢出检测）。
信号链扩展：允许多个处理函数按顺序执行（如先由 ART 处理，再转发给用户）。
信号屏蔽控制：动态调整信号掩码，避免信号处理过程中的竞态条件。

为了实现这些目标，ART 必须 Hook 系统的 sigaction 函数，构建自己的信号处理框架。

二、Hook sigaction 的实现机制

1. 保存原始函数指针

ART 通过动态链接库操作（dlopen 和 dlsym）获取 libc 中原始的 sigaction 和 sigprocmask 函数地址，并将其保存到全局变量中：

// sigchain.cc
static decltype(&sigaction) linked_sigaction;
static decltype(&sigprocmask) linked_sigprocmask;

void InitializeSignalChain() {
    lookup_libc_symbol(&linked_sigaction, sigaction, "sigaction");
    lookup_libc_symbol(&linked_sigprocmask, sigprocmask, "sigprocmask");
}

这一过程在虚拟机的初始化阶段完成。

2. 替换系统函数

ART 重新实现了 sigaction，使其指向自定义逻辑：

extern "C" int sigaction(int signal, const struct sigaction* new_action,
                         struct sigaction* old_action) {
    InitializeSignalChain();
    return __sigaction(signal, new_action, old_action, linked_sigaction);
}

当用户调用 sigaction 时，实际执行的是 ART 的 __sigaction 函数。该函数的核心逻辑是：

若信号已被 ART “声明”：记录用户的处理函数，但不传递给内核。
若未被声明：调用原始的 sigaction 函数，由内核处理。

3. 信号的声明（Claim）

对于需要由 ART 优先处理的信号（如 SIGSEGV），ART 会调用 Claim 方法，将内核的 sigaction 替换为自身的 SignalChain::Handler：

void SignalChain::Register(int signo) {
    struct sigaction handler_action = {};
    handler_action.sa_sigaction = SignalChain::Handler;
    // 注册到内核
    linked_sigaction(signo, &handler_action, &action_);
}

此时，所有该信号的处理请求都会首先进入 ART 的 Handler 函数。

三、信号链的构建与执行流程

1. 信号链的结构

ART 为每个信号维护一个 SignalChain 对象，其中包含两类处理函数：

特殊处理函数（special_handlers_）：由 ART 内部注册，如垃圾回收、空指针检查。
用户处理函数：用户通过 sigaction 注册的函数。

以 SIGSEGV 为例，其处理流程如下：

+---------------------+
| ART 特殊处理函数       | → 检查是否在编译代码中，处理 GC 或栈溢出
+---------------------+
         ↓
+---------------------+
| 用户处理函数 1         | → 用户注册的第一个处理函数
+---------------------+
         ↓
+---------------------+
| 用户处理函数 2         | → 用户注册的第二个处理函数
+---------------------+

2. 信号处理的核心逻辑

当信号触发时，SignalChain::Handler 被调用：

void SignalChain::Handler(int signo, siginfo_t* siginfo, void* ucontext_raw) {
    // 1. 优先执行 ART 的特殊处理函数
    for (const auto& handler : chains[signo].special_handlers_) {
        if (handler.sc_sigaction(signo, siginfo, ucontext_raw)) {
            return; // 处理成功则直接返回
        }
    }
    // 2. 转发到用户注册的处理函数
    chains[signo].action_.sa_sigaction(signo, siginfo, ucontext_raw);
}

特殊处理函数示例：
ART 的 NullPointerHandler 会检查空指针异常，若命中则直接处理；否则交给用户逻辑。

3. 信号掩码的动态调整

在信号处理过程中，ART 需要控制信号掩码以确保正确处理嵌套信号：

sigset_t previous_mask;
// 解除对当前信号的屏蔽（若用户设置了 SA_NODEFER）
linked_sigprocmask(SIG_SETMASK, &handler.sc_mask, &previous_mask);

// 执行用户处理函数
ScopedHandlingSignal restorer(signo, !handler_noreturn);

// 恢复原始信号掩码
linked_sigprocmask(SIG_SETMASK, &previous_mask, nullptr);

这一机制允许用户处理函数按需屏蔽其他信号，避免竞态条件。

四、调试支持：LogStack 的实现

当信号未被处理时，ART 通过 LogStack 打印调用栈，辅助开发者定位问题：

void LogStack() {
#if defined(__BIONIC__)
    unwindstack::AndroidLocalUnwinder unwinder;
    unwindstack::AndroidUnwinderData data;
    if (unwinder.Unwind(data)) {
        data.DemangleFunctionNames();
        // 打印符号化的堆栈信息
        for (const auto& frame : data.frames) {
            LogError("  #%02zu pc %08" PRIx64 "  %s",
                     frame.num, frame.rel_pc, frame.function_name.c_str());
        }
    }
#endif
}

通过 AndroidUnwinder 解析堆栈帧，ART 可以输出类似以下的调试信息：

#00 pc 0000134a  art::NullPointerHandler::Action
#01 pc 00001b2c  art::SignalChain::Handler

五、实际应用场景

1. 空指针检查（NullPointerHandler）

当发生 SIGSEGV 时，NullPointerHandler 会检查当前代码是否在 ART 生成的编译代码中：

bool NullPointerHandler::Action(int sig, siginfo_t* info, void* context) {
    if (IsInGeneratedCode(info, context)) {
        // 解析栈帧并处理空指针
        return true;
    }
    return false;
}

2. 栈溢出处理（StackOverflowHandler）

ART 通过 SIGSEGV 检测栈溢出，并调整线程栈空间：

bool StackOverflowHandler::Action(int sig, siginfo_t* info, void* context) {
    Thread* self = Thread::Current();
    if (self->IsStackOverflow()) {
        ExpandStack(self); // 扩展栈空间
        return true;
    }
    return false;
}

六、总结

ART 的信号处理机制通过 Hook sigaction 实现了高度灵活的信号链管理，其核心优势包括：

优先级控制：确保虚拟机内部逻辑优先处理。
可扩展性：支持多级处理函数的链式调用。
安全性：通过信号掩码管理避免竞态条件。

这种设计不仅提升了 Android 应用的稳定性，还为开发者提供了强大的调试工具（如堆栈打印）。理解这一机制，有助于深入掌握 ART 的运行时行为，并为性能优化和问题排查提供基础。

流程图总结

                    +---------------------+
                    |  用户调用 sigaction   |
                    +---------------------+
                              ↓
                    +---------------------+
                    | ART 的 __sigaction   |
                    | - 检查信号是否 claimed |
                    +---------------------+
                              ↓
                    +---------------------+      否
                    | 信号是否被 claimed？ | -------→ 调用原始 sigaction
                    +---------------------+
                              ↓ 是
                    +---------------------+
                    | 记录用户处理函数       |
                    | 注册 ART Handler     |
                    +---------------------+
                              ↓
                    +---------------------+
                    | 信号触发             |
                    +---------------------+
                              ↓
                    +---------------------+
                    | ART Handler 处理     |
                    | - 执行特殊处理逻辑     |
                    +---------------------+
                              ↓
                    +---------------------+
                    | 调用用户处理函数       |
                    +---------------------+

通过这一机制，ART 在保证系统稳定性的同时，为开发者提供了灵活的信号处理能力。

ART 虚拟机信号处理机制解析：从 Hook sigaction 到信号链构建