理解Android ANR的信息收集过程

基于Android 6.0源码，分析当发生ANR时系统的处理过程

frameworks/base/core/java/android/os/Debug.java
frameworks/base/core/jni/android_os_Debug.cpp
system/core/libcutils/debugger.c

一. ANR场景

无论是四大组件或者进程等只要发生ANR，最终都会调用AMS.appNotResponding()方法，下面从这个方法说起。

以下场景都会触发调用AMS.appNotResponding方法:

Service Timeout:比如前台服务在20s内未执行完成；
BroadcastQueue Timeout：比如前台广播在10s内未执行完成
InputDispatching Timeout: 输入事件分发超时5s，包括按键和触摸事件。

二. appNotResponding处理流程

1. AMS.appNotResponding

final void appNotResponding(ProcessRecord app, ActivityRecord activity,
        ActivityRecord parent, boolean aboveSystem, final String annotation) {
    ...
    updateCpuStatsNow(); //第一次 更新cpu统计信息
    synchronized (this) {
      //PowerManager.reboot() 会阻塞很长时间，因此忽略关机时的ANR
      if (mShuttingDown) {
          return;
      } else if (app.notResponding) {
          return;
      } else if (app.crashing) {
          return;
      }
      //记录ANR到EventLog
      EventLog.writeEvent(EventLogTags.AM_ANR, app.userId, app.pid,
              app.processName, app.info.flags, annotation);
              
      // 将当前进程添加到firstPids
      firstPids.add(app.pid);
      int parentPid = app.pid;
      
      //将system_server进程添加到firstPids
      if (MY_PID != app.pid && MY_PID != parentPid) firstPids.add(MY_PID);
      
      for (int i = mLruProcesses.size() - 1; i >= 0; i--) {
          ProcessRecord r = mLruProcesses.get(i);
          if (r != null && r.thread != null) {
              int pid = r.pid;
              if (pid > 0 && pid != app.pid && pid != parentPid && pid != MY_PID) {
                  if (r.persistent) {
                      firstPids.add(pid); //将persistent进程添加到firstPids
                  } else {
                      lastPids.put(pid, Boolean.TRUE); //其他进程添加到lastPids
                  }
              }
          }
      }
    }
    
    // 记录ANR输出到main log
    StringBuilder info = new StringBuilder();
    info.setLength(0);
    info.append("ANR in ").append(app.processName);
    if (activity != null && activity.shortComponentName != null) {
        info.append(" (").append(activity.shortComponentName).append(")");
    }
    info.append("\n");
    info.append("PID: ").append(app.pid).append("\n");
    if (annotation != null) {
        info.append("Reason: ").append(annotation).append("\n");
    }
    if (parent != null && parent != activity) {
        info.append("Parent: ").append(parent.shortComponentName).append("\n");
    }
    
    //创建CPU tracker对象
    final ProcessCpuTracker processCpuTracker = new ProcessCpuTracker(true);
    //输出traces信息【见小节2】
    File tracesFile = dumpStackTraces(true, firstPids, processCpuTracker, 
            lastPids, NATIVE_STACKS_OF_INTEREST);
            
    updateCpuStatsNow(); //第二次更新cpu统计信息
    //记录当前各个进程的CPU使用情况
    synchronized (mProcessCpuTracker) {
        cpuInfo = mProcessCpuTracker.printCurrentState(anrTime);
    }
    //记录当前CPU负载情况
    info.append(processCpuTracker.printCurrentLoad());
    info.append(cpuInfo);
    //记录从anr时间开始的Cpu使用情况
    info.append(processCpuTracker.printCurrentState(anrTime));
    //输出当前ANR的reason，以及CPU使用率、负载信息
    Slog.e(TAG, info.toString()); 
    
    //将traces文件 和 CPU使用率信息保存到dropbox，即data/system/dropbox目录
    addErrorToDropBox("anr", app, app.processName, activity, parent, annotation,
            cpuInfo, tracesFile, null);

    synchronized (this) {
        ...
        //后台ANR的情况, 则直接杀掉
        if (!showBackground && !app.isInterestingToUserLocked() && app.pid != MY_PID) {
            app.kill("bg anr", true);
            return;
        }

        //设置app的ANR状态，病查询错误报告receiver
        makeAppNotRespondingLocked(app,
                activity != null ? activity.shortComponentName : null,
                annotation != null ? "ANR " + annotation : "ANR",
                info.toString());

        //重命名trace文件
        String tracesPath = SystemProperties.get("dalvik.vm.stack-trace-file", null);
        if (tracesPath != null && tracesPath.length() != 0) {
            //traceRenameFile = "/data/anr/traces.txt"
            File traceRenameFile = new File(tracesPath);
            String newTracesPath;
            int lpos = tracesPath.lastIndexOf (".");
            if (-1 != lpos)
                // 新的traces文件= /data/anr/traces_进程名_当前日期.txt
                newTracesPath = tracesPath.substring (0, lpos) + "_" + app.processName + "_" + mTraceDateFormat.format(new Date()) + tracesPath.substring (lpos);
            else
                newTracesPath = tracesPath + "_" + app.processName;

            traceRenameFile.renameTo(new File(newTracesPath));
        }
                
        //弹出ANR对话框
        Message msg = Message.obtain();
        HashMap<String, Object> map = new HashMap<String, Object>();
        msg.what = SHOW_NOT_RESPONDING_MSG;
        msg.obj = map;
        msg.arg1 = aboveSystem ? 1 : 0;
        map.put("app", app);
        if (activity != null) {
            map.put("activity", activity);
        }
        
        //向ui线程发送，内容为SHOW_NOT_RESPONDING_MSG的消息
        mUiHandler.sendMessage(msg);
    }
    
}

当发生ANR时, 会按顺序依次执行:

输出ANR Reason信息到EventLog. 也就是说ANR触发的时间点最接近的就是EventLog中输出的am_anr信息;
收集并输出重要进程列表中的各个线程的traces信息，该方法较耗时; 【见小节2】
输出当前各个进程的CPU使用情况以及CPU负载情况;
将traces文件和 CPU使用情况信息保存到dropbox，即data/system/dropbox目录
根据进程类型,来决定直接后台杀掉,还是弹框告知用户.

ANR输出重要进程的traces信息，这些进程包含:

firstPids队列：第一个是ANR进程，第二个是system_server，剩余是所有persistent进程；
Native队列：是指/system/bin/目录的mediaserver,sdcard 以及surfaceflinger进程；
lastPids队列: 是指mLruProcesses中的不属于firstPids的所有进程。

2. AMS.dumpStackTraces

public static File dumpStackTraces(boolean clearTraces, ArrayList<Integer> firstPids,
        ProcessCpuTracker processCpuTracker, SparseArray<Boolean> lastPids, String[] nativeProcs) {
    //默认为 data/anr/traces.txt
    String tracesPath = SystemProperties.get("dalvik.vm.stack-trace-file", null);
    if (tracesPath == null || tracesPath.length() == 0) {
        return null;
    }

    File tracesFile = new File(tracesPath);
    try {
        //当clearTraces，则删除已存在的traces文件
        if (clearTraces && tracesFile.exists()) tracesFile.delete();
        //创建traces文件
        tracesFile.createNewFile();
        FileUtils.setPermissions(tracesFile.getPath(), 0666, -1, -1);
    } catch (IOException e) {
        return null;
    }
    //输出trace内容【见小节3】
    dumpStackTraces(tracesPath, firstPids, processCpuTracker, lastPids, nativeProcs);
    return tracesFile;
}

这里会保证data/anr/traces.txt文件内容是全新的方式，而非追加。

3. AMS.dumpStackTraces

private static void dumpStackTraces(String tracesPath, ArrayList<Integer> firstPids,
        ProcessCpuTracker processCpuTracker, SparseArray<Boolean> lastPids, String[] nativeProcs) {
    FileObserver observer = new FileObserver(tracesPath, FileObserver.CLOSE_WRITE) {
        @Override
        public synchronized void onEvent(int event, String path) { notify(); }
    };

    try {
        observer.startWatching();

        //首先，获取最重要进程的stacks
        if (firstPids != null) {
            try {
                int num = firstPids.size();
                for (int i = 0; i < num; i++) {
                    synchronized (observer) {
                        //向目标进程发送signal来输出traces
                        Process.sendSignal(firstPids.get(i), Process.SIGNAL_QUIT);
                        observer.wait(200);  //等待直到写关闭，或者200ms超时
                    }
                }
            } catch (InterruptedException e) {
                Slog.wtf(TAG, e);
            }
        }

        //下一步，获取native进程的stacks
        if (nativeProcs != null) {
            int[] pids = Process.getPidsForCommands(nativeProcs);
            if (pids != null) {
                for (int pid : pids) {
                    //输出native进程的trace【见小节4】
                    Debug.dumpNativeBacktraceToFile(pid, tracesPath);
                }
            }
        }

        if (processCpuTracker != null) {
            processCpuTracker.init();
            System.gc();
            processCpuTracker.update();
            synchronized (processCpuTracker) {
                processCpuTracker.wait(500); //等待500ms
            }
            //测量CPU使用情况
            processCpuTracker.update();

            //从lastPids中选取CPU使用率 top 5的进程，输出这些进程的stacks
            final int N = processCpuTracker.countWorkingStats();
            int numProcs = 0;
            for (int i=0; i<N && numProcs<5; i++) {
                ProcessCpuTracker.Stats stats = processCpuTracker.getWorkingStats(i);
                if (lastPids.indexOfKey(stats.pid) >= 0) {
                    numProcs++;
                    synchronized (observer) {
                        Process.sendSignal(stats.pid, Process.SIGNAL_QUIT);
                        observer.wait(200); 
                    }
                }
            }
        }
    } finally {
        observer.stopWatching();
    }
}

该方法的主要功能，依次输出：

收集firstPids进程的stacks；
- 第一个是发生ANR进程；
- 第二个是system_server；
- mLruProcesses中所有的persistent进程；
收集Native进程的stacks；(dumpNativeBacktraceToFile)
- 依次是mediaserver,sdcard,surfaceflinger进程；
收集lastPids进程的stacks;；
- 依次输出CPU使用率top 5的进程；

Tips: firstPids列表中的进程, 两个进程之间会休眠200ms, 可见persistent进程越多,则时间越长. top 5进程的traces过程中, 同样是间隔200ms, 另外进程使用情况的收集也是比较耗时.

4. dumpNativeBacktraceToFile

Debug.dumpNativeBacktraceToFile(pid, tracesPath)经过JNI调用如下方法：

static void android_os_Debug_dumpNativeBacktraceToFile(JNIEnv* env, jobject clazz,
    jint pid, jstring fileName)
{
    ...
    const jchar* str = env->GetStringCritical(fileName, 0);
    String8 fileName8;
    if (str) {
        fileName8 = String8(reinterpret_cast<const char16_t*>(str),
                            env->GetStringLength(fileName));
        env->ReleaseStringCritical(fileName, str);
    }

    //打开/data/anr/traces.txt
    int fd = open(fileName8.string(), O_CREAT | O_WRONLY | O_NOFOLLOW, 0666);  /* -rw-rw-rw- */
    ...
    
    if (lseek(fd, 0, SEEK_END) < 0) {
        fprintf(stderr, "lseek: %s\n", strerror(errno));
    } else {
        //【见小节5】
        dump_backtrace_to_file(pid, fd);
    }

    close(fd);
}

5. dump_backtrace_to_file

[-> debugger.c]

int dump_backtrace_to_file(pid_t tid, int fd) {
    return dump_backtrace_to_file_timeout(tid, fd, 0);
}

int dump_backtrace_to_file_timeout(pid_t tid, int fd, int timeout_secs) {
  //通过socket向服务端发送dump backtrace的请求
  int sock_fd = make_dump_request(DEBUGGER_ACTION_DUMP_BACKTRACE, tid, timeout_secs);
  if (sock_fd < 0) {
    return -1;
  }

  int result = 0;
  char buffer[1024];
  ssize_t n;
  //阻塞等待，从sock_fd中读取到服务端发送过来的数据，并写入buffer
  while ((n = TEMP_FAILURE_RETRY(read(sock_fd, buffer, sizeof(buffer)))) > 0) {
    //再将buffer数据输出到traces.txt文件
    if (TEMP_FAILURE_RETRY(write(fd, buffer, n)) != n) {
      result = -1;
      break;
    }
  }
  close(sock_fd);
  return result;
}

可见，这个过程主要是通过向debuggerd守护进程发送命令DEBUGGER_ACTION_DUMP_BACKTRACE， debuggerd收到该命令，在子进程中调用 dump_backtrace()来输出backtrace，更多内容见Native进程之Trace原理。

三. 总结

触发ANR时系统会输出关键信息：(这个较耗时,可能会有10s)

将am_anr信息,输出到EventLog.(ANR开始起点看EventLog)
获取重要进程trace信息，保存到/data/anr/traces.txt；(会先删除老的文件)
- Java进程的traces;
- Native进程的traces;
ANR reason以及CPU使用情况信息，输出到main log;
再将CPU使用情况和进程trace文件信息，再保存到/data/system/dropbox；

整个过程中进程Trace的输出是最为核心的环节，Java和Native进程采用不同的策略，如下：

进程类型	trace命令	文章	描述
Java	kill -3 [pid]	解读Java进程的Trace文件	不适用于Native进程
Native	debuggerd -b [pid]	Native进程之Trace原理	也适用于Java进程

说明：kill -3命令需要虚拟机的支持，所以无法输出Native进程traces.而debuggerd -b [pid]也可用于Java进程，但信息量远没有kill -3多。总之，ANR信息最为重要的是dropbox信息，比如system_server_anr。

重要节点：

进程名：cat /proc/[pid]/cmdline
线程名：cat /proc/[tid]/comm
Kernel栈：cat /proc/[tid]/stack
Native栈：解析 /proc/[pid]/maps

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