关于ANR异常捕获与分析,你所需要知道的一切

背景

最近项目组需要实现捕获ANR并上传到公司服务器相关的功能,因此花了点时间来整理相关的知识,并从AMS源码与腾讯Bugly-SDK中逆向找到相关思路,在此分享给大家。

ANR是什么?

Application Not Responding的缩写,即应用程序无响应。简单来说,就是应用跑着跑着,突然duang~,界面卡住了,无法响应用户的操作如触摸事件等。

触发ANR的原因

  • 应用进程自身引起
    例如:
    1.主线程阻塞、挂起、死循环
    2.应用进程的其他线程的CPU占用率高,使得主线程无法抢占到CPU时间片

  • 其他进程间接引起(误伤)
    例如:
    1.当前应用进程进行进程间通信请求其他进程,其他进程的操作长时间没有反馈
    2.其他进程的CPU占用率极高,使得当前应用进程无法抢占到CPU时间片

ANR的分类:

  1. 应用在5秒内未响应用户的输入事件,如按键或触摸事件
  2. BroadcastReceiver未在10秒内完成相关的处理
  3. Service的各个生命周期函数时20秒内没有执行完毕

主要还是以上3种情况,其根本原因都是主线程被阻塞导致的。

Tips:
其中2,3属于Background ANR,实际上已经发生了ANR,但不会进行对话框弹出。可以在Android开发者选项—>高级—>显示所有”应用程序无响应“,勾选后即可对后台ANR也进行弹框显示。

问题分解

要实现捕获ANR功能,简单来说,需要解决以下问题:

  1. 获取什么信息?
  2. 去哪里获取?
  3. 什么时候去获取?

对于上述问题,我们一步一步来,逐个解决。

一、获取什么信息?

1. Cause reason:
当ANR产生的时候,logcat会打印出一段log,会输出类似下面的信息。
1) 首先可以得到ANR所在进程的进程名、进程号、及出错的组件;
2) 其中Reason主要描述了ANR产生的具体原因/分类;
3) CPU usage...ago则主要记录了ANR发生前CPU的使用状况;
4) CPU usage...later则记录了ANR发生之后CPU的使用状况。

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E/ActivityManager: ANR in com.example.testapp (com.example.testapp/.CrashTestActivity)
PID: 2480
Reason: Input dispatching timed out (Waiting because the touched window has not finished processing the input events that were previously delivered to it.)
Load: 0.06 / 0.08 / 0.05
CPU usage from 9865ms to 0ms ago:
0.7% 1558/system_server: 0% user + 0.7% kernel / faults: 39 minor
0.4% 1143/adbd: 0% user + 0.4% kernel / faults: 117 minor
0.4% 1796/com.estrongs.android.pop: 0.2% user + 0.2% kernel / faults: 95 minor
0.2% 1132/surfaceflinger: 0% user + 0.2% kernel
0.1% 1114/kworker/0:1H: 0% user + 0.1% kernel
0.1% 1131/rild: 0% user + 0.1% kernel
0.1% 1682/com.android.phone: 0% user + 0.1% kernel
+0% 2510/logcat: 0% user + 0% kernel
0.8% TOTAL: 0.1% user + 0.7% kernel + 0% iowait
CPU usage from 1098ms to 1603ms later:
2% 1558/system_server: 2% user + 0% kernel
2% 1573/ActivityManager: 2% user + 0% kernel
0% TOTAL: 0% user + 0% kernel

结合此部分信息进行分析可以初步得出产生ANR的基本原因,以及排除是否属于误伤。什么意思呢?也就是说如果发现ANR前后有某个进程在占用大量CPU,那么ANR的产生很可能是误伤-_-|||,具体可以回看上面关于ANR触发原因一节。

2. ANR traces
在知道了Cause reason之后,需要进一步的信息来确定ANR在代码中的位置,这个时候就要去查看traces文件了。每次产生ANR之后,系统都会向/data/anr/traces.txt中写入新的数据。内容大概如下:
1)介于----- pid 0000 xxx ---------- end 0000 -----之间的为进程0000的所有线程堆栈信息。一般来说,发生ANR的进程信息会在文件头部,下面AMS源码分析的时候会说明为什么。
2) "main" prio=5 tid=1 TIMED_WAIT分为为线程名、线程优先级(默认值5)、线程ID、线程状态;主线程之后会接着打印进程中其他线程的信息,此处不再贴出。

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----- pid 2480 at 2017-04-06 08:48:58 -----
Cmd line: com.example.testapp
JNI: CheckJNI is on; workarounds are off; pins=0; globals=263
DALVIK THREADS:
(mutexes: tll=0 tsl=0 tscl=0 ghl=0)
"main" prio=5 tid=1 TIMED_WAIT
| group="main" sCount=1 dsCount=0 obj=0xaccdcbd8 self=0xb80204a0
| sysTid=2480 nice=0 sched=0/0 cgrp=[fopen-error:2] handle=-1217093536
| state=S schedstat=( 0 0 0 ) utm=2 stm=1 core=1
at java.lang.VMThread.sleep(Native Method)
at java.lang.Thread.sleep(Thread.java:1013)
at java.lang.Thread.sleep(Thread.java:995)
at com.tencent.bugly.proguard.ag.a(BUGLY:897)
at com.tencent.bugly.crashreport.crash.anr.BuglyTestANR_Reciver.onReceive(BUGLY:30)
at android.app.LoadedApk$ReceiverDispatcher$Args.run(LoadedApk.java:768)
at android.os.Handler.handleCallback(Handler.java:733)
at android.os.Handler.dispatchMessage(Handler.java:95)
at android.os.Looper.loop(Looper.java:136)
at android.app.ActivityThread.main(ActivityThread.java:5017)
at java.lang.reflect.Method.invokeNative(Native Method)
at java.lang.reflect.Method.invoke(Method.java:515)
at com.android.internal.os.ZygoteInit$MethodAndArgsCaller.run(ZygoteInit.java:779)
at com.android.internal.os.ZygoteInit.main(ZygoteInit.java:595)
at dalvik.system.NativeStart.main(Native Method)
"AnotherThread1" xxx
xxx
xxx
xxx
"AnotherThread2" xxx
xxx
xxx
xxx
----- end 2480 -----
----- pid 1558 at 2017-04-06 08:48:58 -----
Cmd line: another_process_name
...
...
...
----- end 2480 -----
...
...
...

Tips:
关于ANR traces的保存时长:
traces.txt:只保留最近一次发生ANR时的信息,位置:/data/anr/traces.txt
DropBox: Android 2.2 开始增加, 会保留历史上发生的所有ANR的logs,位置:/data/system/dropbox,保存时长3天。详见:ActivityManagerService.addErrorToDropBox()

相关源码:
ActivityManagerService.java
DropBoxManagerService.java
SystemServer.java

3. 关于线程状态
了解线程的状态对分析traces文件至关重要,下表列出了各线程的状态及含义:
ThreadState

Read The Fucking Source Code

在解释后面的两个问题:2.去哪里获取?3.什么时候去获取?之前,我们需要简单的阅读下ActivityManagerService的源码了。

1) 在产生ANR的时候,会回调到AMS的appNotResponding()方法,以下为关键代码,中文注释为相关代码的解读:

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final void appNotResponding(ProcessRecord app, ActivityRecord activity,
ActivityRecord parent, boolean aboveSystem, final String annotation) {
// firstPids与lastPids将记录将要dump线程堆栈信息的进程号,其中firstPids会优先输出,详见后面的dumpStackTraces()方法
ArrayList<Integer> firstPids = new ArrayList<Integer>(5);
SparseArray<Boolean> lastPids = new SparseArray<Boolean>(20);
...
synchronized (this) {
// 判断重启、已处于ANR或Crash状态直接返回不处理
// PowerManager.reboot() can block for a long time, so ignore ANRs while shutting down.
if (mShuttingDown) {
Slog.i(TAG, "During shutdown skipping ANR: " + app + " " + annotation);
return;
} else if (app.notResponding) {
Slog.i(TAG, "Skipping duplicate ANR: " + app + " " + annotation);
return;
} else if (app.crashing) {
Slog.i(TAG, "Crashing app skipping ANR: " + app + " " + annotation);
return;
}
// 设置notResponding标志位
// In case we come through here for the same app before completing
// this one, mark as anring now so we will bail out.
app.notResponding = true;
...
// 这里将把当前进程的id最先加到列表中,因此能保证产生ANR的进程能在traces.txt的头部。
// Dump thread traces as quickly as we can, starting with "interesting" processes.
firstPids.add(app.pid);
int parentPid = app.pid;
if (parent != null && parent.app != null && parent.app.pid > 0) parentPid = parent.app.pid;
if (parentPid != app.pid) firstPids.add(parentPid);
if (MY_PID != app.pid && MY_PID != parentPid) firstPids.add(MY_PID);
// 将设有persistent属性的进程加入firstPids队列,其他则加入lastPids队列
// 其中mLruProcesses根据LRU算法存储了最近使用的进程信息
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);
} else {
lastPids.put(pid, Boolean.TRUE);
}
}
}
}
}
// 准备在logcat中打印出Cause Reason信息
// Log the ANR to the 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");
}
final ProcessCpuTracker processCpuTracker = new ProcessCpuTracker(true);
// 执行此函数将dump相关进程中的线程堆栈信息到traces.txt文件中
File tracesFile = dumpStackTraces(true, firstPids, processCpuTracker, lastPids,
NATIVE_STACKS_OF_INTEREST);
String cpuInfo = null;
// 打印CPU usage相关信息
if (MONITOR_CPU_USAGE) {
updateCpuStatsNow();
synchronized (mProcessCpuTracker) {
cpuInfo = mProcessCpuTracker.printCurrentState(anrTime);
}
info.append(processCpuTracker.printCurrentLoad());
info.append(cpuInfo);
}
info.append(processCpuTracker.printCurrentState(anrTime));
Slog.e(TAG, info.toString());
if (tracesFile == null) {
// There is no trace file, so dump (only) the alleged culprit's threads to the log
Process.sendSignal(app.pid, Process.SIGNAL_QUIT);
}
// 添加ANR信息至DropBox,默认有效期为3天
addErrorToDropBox("anr", app, app.processName, activity, parent, annotation,
cpuInfo, tracesFile, null);
...
// 此处获取开发者选项—>高级—>显示所有"应用程序无响应"中的值,若勾选了显示Background ANR,则会显示Broadcast等后台组件所产生的ANR Dialog
// Unless configured otherwise, swallow ANRs in background processes & kill the process.
boolean showBackground = Settings.Secure.getInt(mContext.getContentResolver(),
Settings.Secure.ANR_SHOW_BACKGROUND, 0) != 0;
synchronized (this) {
mBatteryStatsService.noteProcessAnr(app.processName, app.uid);
if (!showBackground && !app.isInterestingToUserLocked() && app.pid != MY_PID) {
app.kill("bg anr", true);
return;
}
// Set the app's notResponding state, and look up the errorReportReceiver
makeAppNotRespondingLocked(app,
activity != null ? activity.shortComponentName : null,
annotation != null ? "ANR " + annotation : "ANR",
info.toString());
// 通过hander发送消息,通知显示ANR Dialog
// Bring up the infamous App Not Responding dialog
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);
}
mHandler.sendMessage(msg);
}
}

2) 我们来详细看下dumpStackTraces()这个方法,此处将dump出firstPidslastPids进程的相关线程堆栈信息至traces.txt,中文注释为相关代码的解读。

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public static File dumpStackTraces(boolean clearTraces, ArrayList<Integer> firstPids,
ProcessCpuTracker processCpuTracker, SparseArray<Boolean> lastPids, String[] nativeProcs) {
// 根据此环境变量获取traces.txt生成路径,默认值为/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 {
File tracesDir = tracesFile.getParentFile();
if (!tracesDir.exists()) {
tracesDir.mkdirs();
if (!SELinux.restorecon(tracesDir)) {
return null;
}
}
// 删除旧的traces.txt文件,并创建新文件
FileUtils.setPermissions(tracesDir.getPath(), 0775, -1, -1); // drwxrwxr-x
if (clearTraces && tracesFile.exists()) tracesFile.delete();
tracesFile.createNewFile();
FileUtils.setPermissions(tracesFile.getPath(), 0666, -1, -1); // -rw-rw-rw-
} catch (IOException e) {
Slog.w(TAG, "Unable to prepare ANR traces file: " + tracesPath, e);
return null;
}
dumpStackTraces(tracesPath, firstPids, processCpuTracker, lastPids, nativeProcs);
return tracesFile;
}
private static void dumpStackTraces(String tracesPath, ArrayList<Integer> firstPids,
ProcessCpuTracker processCpuTracker, SparseArray<Boolean> lastPids, String[] nativeProcs) {
// Use a FileObserver to detect when traces finish writing.
// The order of traces is considered important to maintain for legibility.
// 每个进程是按照先后顺序dump信息至traces.txt文件中的
// 通过FileObserver监听完成写入的操作,并通过wait()/notify()机制等待/唤醒,并继续发送Signal给下一个进程,见下面的for循环
FileObserver observer = new FileObserver(tracesPath, FileObserver.CLOSE_WRITE) {
@Override
public synchronized void onEvent(int event, String path) { notify(); }
};
try {
observer.startWatching();
// First collect all of the stacks of the most important pids.
if (firstPids != null) {
try {
int num = firstPids.size();
for (int i = 0; i < num; i++) {
synchronized (observer) {
// 目标进程的虚拟机实例接收到SIGNAL_QUIT信号后会由"Signal Catcher"线程将进程中各个线程的函数堆栈信息输出到traces.txt文件中.
// 优先输出firstPids中的进程堆栈信息
Process.sendSignal(firstPids.get(i), Process.SIGNAL_QUIT);
observer.wait(200); // Wait for write-close, give up after 200msec
}
}
} catch (InterruptedException e) {
Slog.wtf(TAG, e);
}
}
// Next collect the stacks of the native pids
if (nativeProcs != null) {
int[] pids = Process.getPidsForCommands(nativeProcs);
if (pids != null) {
for (int pid : pids) {
Debug.dumpNativeBacktraceToFile(pid, tracesPath);
}
}
}
// Lastly, measure CPU usage.
if (processCpuTracker != null) {
processCpuTracker.init();
System.gc();
processCpuTracker.update();
try {
synchronized (processCpuTracker) {
processCpuTracker.wait(500); // measure over 1/2 second.
}
} catch (InterruptedException e) {
}
processCpuTracker.update();
// 获取最近频繁使用CPU的进程
// We'll take the stack crawls of just the top apps using CPU.
final int N = processCpuTracker.countWorkingStats();
int numProcs = 0;
for (int i=0; i<N && numProcs<5; i++) {
ProcessCpuTracker.Stats stats = processCpuTracker.getWorkingStats(i);
// 根据频繁使用CPU的进程与lastPids输出相关进程堆栈信息
if (lastPids.indexOfKey(stats.pid) >= 0) {
numProcs++;
try {
synchronized (observer) {
Process.sendSignal(stats.pid, Process.SIGNAL_QUIT);
observer.wait(200); // Wait for write-close, give up after 200msec
}
} catch (InterruptedException e) {
Slog.wtf(TAG, e);
}
}
}
}
} finally {
observer.stopWatching();
}
}

二、去哪里获取?

1. Cause reason:

  • 关于reason信息的获取,到目前为止,我们只知道能在logcat中能检索到相关信息,难道要开个线程不断循环去检测logs?这想法看来还是Too Young Too Simple。
  • 这里先说下结论,可通过ActivityManagerService.getProcessesInErrorState()方法获取进程的ANR信息,此方法是通过逆向Bugly时发现的,后面会讲到。
  • 此方法会遍历mLruProcesses,并根据进程目前的异常状态如crash或者anr类型,返回具体的ProcessErrorStateInfo,具体看代码,比较简单:
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    public List<ActivityManager.ProcessErrorStateInfo> getProcessesInErrorState() {
    ...
    synchronized (this) {
    // iterate across all processes
    for (int i=mLruProcesses.size()-1; i>=0; i--) {
    ProcessRecord app = mLruProcesses.get(i);
    if (!allUsers && app.userId != userId) {
    continue;
    }
    if ((app.thread != null) && (app.crashing || app.notResponding)) {
    // This one's in trouble, so we'll generate a report for it
    // crashes are higher priority (in case there's a crash *and* an anr)
    ActivityManager.ProcessErrorStateInfo report = null;
    if (app.crashing) {
    report = app.crashingReport;
    } else if (app.notResponding) {
    report = app.notRespondingReport;
    }
    if (report != null) {
    if (errList == null) {
    errList = new ArrayList<ActivityManager.ProcessErrorStateInfo>(1);
    }
    errList.add(report);
    } else {
    Slog.w(TAG, "Missing app error report, app = " + app.processName +
    " crashing = " + app.crashing +
    " notResponding = " + app.notResponding);
    }
    }
    }
    }
    return errList;
    }

注意app.notRespondingReport非空的时候才会返回,那它是什么时候初始化的呢?是在makeAppNotRespondingLocked()方法中。其中此方法又是在appNotResponding()中被调用的(在所有进程写完traces.txt之后,可回看上面AMS相关代码)

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private void makeAppNotRespondingLocked(ProcessRecord app,
String activity, String shortMsg, String longMsg) {
app.notResponding = true;
app.notRespondingReport = generateProcessError(app,
ActivityManager.ProcessErrorStateInfo.NOT_RESPONDING,
activity, shortMsg, longMsg, null);
startAppProblemLocked(app);
app.stopFreezingAllLocked();
}

2. ANR traces
这部分内容获取比较简单,直接读取/data/anr/traces.txt里面第一个进程的信息即可,能保证首个进程即是当前ANR的进程,至于为什么上面分析AMS源码中已经说明了,当前进的pid会首先被add进firstPids中被优先输出。此处的难点是如何从traces中过滤出相关的信息,如进程名,进程pid,生成时间,各线程名、tid、优先级、状态、堆栈信息等。这里就要用到强大的正则表达式来进行过滤了,此处忽略一万字…(大家可以反编译Bugly的SDK,参考里面的正则表达式)

三、什么时候去获取?

在上面AMS的源码分析中,我们可以关注到dumpStackTraces()方法中的FileObserver,系统通过该类监听文件/data/anr/traces.txt来达到顺序依次写入各个进程的traces信息。按照这个思路,当ANR发生的时候,我们也可以通过监听该文件的写入情况来判断是否发生了ANR,看起来这是一个不错的时机。需要注意的一点是,所有应用发生ANR的时候都会进行回调,因此需要做一些过滤与判断,如包名、进程号等。

在实现前,我们先来看看Bugly中是如何实现的。这里笔者反编译的是Bugly-v1.2.8版本,搜索关键字FileObserver,果不其然很快发现了一些相关代码,位于com.tencent.bugly.crashreport.crash.anr包下的b.class

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protected synchronized void b() {
if(this.d()) {
z.d("start when started!", new Object[0]);
} else {
this.o = new FileObserver("/data/anr/", 8) {
public void onEvent(int event, String path) {
if(path != null) {
String var3 = "/data/anr/" + path;
if(!var3.contains("trace")) {
z.d("not anr file %s", new Object[]{var3});
} else {
b.this.a(var3);
}
}
}
};
try {
this.o.startWatching();
z.a("start anr monitor!", new Object[0]);
...
} catch (Throwable var2) {
this.o = null;
z.d("start anr monitor failed!", new Object[0]);
...
}
}
}

上面这段代码比较简单,就是一个启动monitor的方法,监听/data/anr/这个目录,并过滤包含trace的文件名。在FileObserver创建的时候可以传入一个mask参数,8正是代表着CLOSE_WRITE这个常量,当有写入并且close的时候将会回调,跟AMS中的使用基本吻合。

继续翻看b.class的代码,当过滤出trace文件的时候,会执行b.this.a(var3)这个方法。从代码逻辑上可以看出,这是一个对trace文件有效性判断的方法,精简过后的代码如下:

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public final void a(String var1) {
....
try {
z.c("read trace first dump for create time!", new Object[0]);
long var2 = -1L;
com.tencent.bugly.crashreport.crash.anr.c.a var4 = com.tencent.bugly.crashreport.crash.anr.c.a(var1, false);
if(var4 != null) {
var2 = var4.c;
}
if(var2 == -1L) {
z.d("trace dump fail could not get time!", new Object[0]);
var2 = (new Date()).getTime();
}
if(Math.abs(var2 - this.f) < 10000L) {
z.d("should not process ANR too Fre in %d", new Object[]{Integer.valueOf(10000)});
} else {
...
if(var5 != null && var5.size() > 0) {
ProcessErrorStateInfo var6 = this.a(this.g, 10000L);
if(var6 == null) {
z.c("proc state is unvisiable!", new Object[0]);
} else if(var6.pid != Process.myPid()) {
z.c("not mind proc!", new Object[]{var6.processName});
} else {
z.a("found visiable anr , start to process!", new Object[0]);
this.a(this.g, var1, var6, var2, var5);
}
} else {
z.d("can\'t get all thread skip this anr", new Object[0]);
}
}
} catch (Throwable var13) {
...
z.e("handle anr error %s", new Object[]{var13.getClass().toString()});
}
...
}

上面这段代码的意思也比较好理解,先解析出时间,对一些重复的回调或太频繁的ANR进行过滤(为什么会重复回调,因为上面阅读AMS源码的时候也说明了,firstPids中各个进程的信息会依次写入trace文件中)。然后对进程异常状态和进程号进行判断,过滤掉无效或其他应用的回调,最后对有效的trace进行处理。

这个时候ProcessErrorStateInfo这个类引起了我的注意,我们继续翻代码看他到底获取的是什么信息,进入this.a(this.g, 10000L)这个方法:

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protected ProcessErrorStateInfo a(Context var1, long var2) {
var2 = var2 < 0L?0L:var2;
z.c("to find!", new Object[0]);
ActivityManager var4 = (ActivityManager)var1.getSystemService("activity");
long var5 = var2 / 500L;
int var7 = 0;
do {
z.c("waiting!", new Object[0]);
List var8 = var4.getProcessesInErrorState();
if(var8 != null) {
Iterator var9 = var8.iterator();
while(var9.hasNext()) {
ProcessErrorStateInfo var10 = (ProcessErrorStateInfo)var9.next();
if(var10.condition == 2) {
z.c("found!", new Object[0]);
return var10;
}
}
}
ag.a(500L);
} while((long)(var7++) < var5);
z.c("end!", new Object[0]);
return null;
}

可以把这段代码copy到自己的项目中跑一下,首先通过ActivityManager.getProcessesInErrorState()来获取系统中有所有异常进程的信息,通过condition来过滤出目标进程,而2正是代表着NOT_RESPONDING这个常量,即ANR异常。而ProcessErrorStateInfo中的shortMsglongMsg变量正是我们之前在logcat中看到的Cause reason!

可以看到,其实Bugly对于ANR的触发时机监听也正是使用FileObserver来实现的。而且之前一直在思考logcat中的Cause reason是从哪里获取的现在也有了答案,反编译有些时候还真是个好法宝,嘿嘿嘿~

总结

至此,通过AMS源码分析和Bugly-SDK的逆向,我们终于解决了捕获ANR异常最重要的3个问题:1.获取什么信息?2.去哪里获取?3.什么时候去获取?希望这篇文章能给正在开发相关功能的同学们一些指导,顺便分享下自己的思路与经验~

参考

https://developer.android.com/training/articles/perf-anr.html#anr
http://gityuan.com/2016/07/02/android-anr/
http://blog.csdn.net/tencent_bugly/article/details/46650675