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# macOS GCD - Grand Central Dispatch

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## Informations de base

**Grand Central Dispatch (GCD),** également connu sous le nom de **libdispatch** (`libdispatch.dyld`), est disponible à la fois sur macOS et iOS. Il s'agit d'une technologie développée par Apple pour optimiser le support des applications pour l'exécution concurrente (multithread) sur un matériel multicœur.

**GCD** fournit et gère des **files d'attente FIFO** auxquelles votre application peut **soumettre des tâches** sous forme d'**objets de blocs**. Les blocs soumis aux files d'attente de répartition sont **exécutés sur un pool de threads** entièrement géré par le système. GCD crée automatiquement des threads pour exécuter les tâches dans les files d'attente de répartition et planifie l'exécution de ces tâches sur les cœurs disponibles.

{% hint style="success" %}
En résumé, pour exécuter du code en **parallèle**, les processus peuvent envoyer des **blocs de code à GCD**, qui se chargera de leur exécution. Par conséquent, les processus ne créent pas de nouveaux threads ; **GCD exécute le code donné avec son propre pool de threads** (qui peut augmenter ou diminuer selon les besoins).
{% endhint %}

Cela est très utile pour gérer avec succès l'exécution parallèle, réduisant considérablement le nombre de threads que les processus créent et optimisant l'exécution parallèle. C'est idéal pour les tâches qui nécessitent une **grande parallélisme** (force brute ?) ou pour les tâches qui ne doivent pas bloquer le thread principal : par exemple, le thread principal sur iOS gère les interactions UI, donc toute autre fonctionnalité qui pourrait faire planter l'application (recherche, accès à un site web, lecture d'un fichier...) est gérée de cette manière.

### Blocs

Un bloc est une **section de code autonome** (comme une fonction avec des arguments renvoyant une valeur) et peut également spécifier des variables liées.\
Cependant, au niveau du compilateur, les blocs n'existent pas, ce sont des `os_object`s. Chacun de ces objets est formé de deux structures :

- **littéral de bloc** :&#x20;
  - Il commence par le champ **`isa`**, pointant vers la classe du bloc :
    - `NSConcreteGlobalBlock` (blocs de `__DATA.__const`)
    - `NSConcreteMallocBlock` (blocs dans le tas)
    - `NSConcreateStackBlock` (blocs dans la pile)
  - Il a des **`flags`** (indiquant les champs présents dans le descripteur de bloc) et quelques octets réservés
  - Le pointeur de fonction à appeler
  - Un pointeur vers le descripteur de bloc
  - Variables importées du bloc (le cas échéant)
- **descripteur de bloc** : Sa taille dépend des données présentes (comme indiqué dans les drapeaux précédents)
  - Il a quelques octets réservés
  - Sa taille
  - Il aura généralement un pointeur vers une signature de style Objective-C pour savoir combien d'espace est nécessaire pour les paramètres (drapeau `BLOCK_HAS_SIGNATURE`)
  - Si des variables sont référencées, ce bloc aura également des pointeurs vers un assistant de copie (copiant la valeur au début) et un assistant de libération (la libérant).

### Files d'attente

Une file d'attente de répartition est un objet nommé fournissant un ordre FIFO des blocs pour les exécutions.

Les blocs sont placés dans des files d'attente pour être exécutés, et celles-ci prennent en charge 2 modes : `DISPATCH_QUEUE_SERIAL` et `DISPATCH_QUEUE_CONCURRENT`. Bien sûr, le **sériel** ne **aura pas de problèmes de conditions de course** car un bloc ne sera pas exécuté tant que le précédent n'aura pas fini. Mais **l'autre type de file d'attente pourrait en avoir**.

Files d'attente par défaut :

- `.main-thread` : Depuis `dispatch_get_main_queue()`
- `.libdispatch-manager` : Gestionnaire de file d'attente de GCD
- `.root.libdispatch-manager` : Gestionnaire de file d'attente de GCD
- `.root.maintenance-qos` : Tâches de priorité la plus basse
- `.root.maintenance-qos.overcommit`
- `.root.background-qos` : Disponible en tant que `DISPATCH_QUEUE_PRIORITY_BACKGROUND`
- `.root.background-qos.overcommit`
- `.root.utility-qos` : Disponible en tant que `DISPATCH_QUEUE_PRIORITY_NON_INTERACTIVE`
- `.root.utility-qos.overcommit`
- `.root.default-qos` : Disponible en tant que `DISPATCH_QUEUE_PRIORITY_DEFAULT`
- `.root.background-qos.overcommit`
- `.root.user-initiated-qos` : Disponible en tant que `DISPATCH_QUEUE_PRIORITY_HIGH`
- `.root.background-qos.overcommit`
- `.root.user-interactive-qos` : Priorité la plus élevée
- `.root.background-qos.overcommit`

Remarquez que c'est le système qui décidera **quels threads gèrent quelles files d'attente à chaque instant** (plusieurs threads peuvent travailler dans la même file d'attente ou le même thread peut travailler dans différentes files d'attente à un moment donné)

#### Attributs

Lors de la création d'une file d'attente avec **`dispatch_queue_create`**, le troisième argument est un `dispatch_queue_attr_t`, qui est généralement soit `DISPATCH_QUEUE_SERIAL` (qui est en fait NULL) soit `DISPATCH_QUEUE_CONCURRENT` qui est un pointeur vers une structure `dispatch_queue_attr_t` qui permet de contrôler certains paramètres de la file d'attente.

### Objets de répartition

Il existe plusieurs objets que libdispatch utilise et les files d'attente et les blocs ne sont que 2 d'entre eux. Il est possible de créer ces objets avec `dispatch_object_create` :

- `block`
- `data` : Blocs de données
- `group` : Groupe de blocs
- `io` : Requêtes E/S asynchrones
- `mach` : Ports Mach
- `mach_msg` : Messages Mach
- `pthread_root_queue` : Une file d'attente avec un pool de threads pthread et pas de workqueues
- `queue`
- `semaphore`
- `source` : Source d'événements

## Objective-C

En Objective-C, il existe différentes fonctions pour envoyer un bloc à exécuter en parallèle :

- [**dispatch\_async**](https://developer.apple.com/documentation/dispatch/1453057-dispatch\_async) : Soumet un bloc pour une exécution asynchrone sur une file d'attente de répartition et retourne immédiatement.
- [**dispatch\_sync**](https://developer.apple.com/documentation/dispatch/1452870-dispatch\_sync) : Soumet un objet de bloc pour exécution et retourne après que ce bloc ait fini d'être exécuté.
- [**dispatch\_once**](https://developer.apple.com/documentation/dispatch/1447169-dispatch\_once) : Exécute un objet de bloc une seule fois pendant la durée de vie d'une application.
- [**dispatch\_async\_and\_wait**](https://developer.apple.com/documentation/dispatch/3191901-dispatch\_async\_and\_wait) : Soumet un élément de travail pour exécution et ne retourne qu'après son exécution. Contrairement à [**`dispatch_sync`**](https://developer.apple.com/documentation/dispatch/1452870-dispatch\_sync), cette fonction respecte tous les attributs de la file d'attente lorsqu'elle exécute le bloc.

Ces fonctions attendent ces paramètres : [**`dispatch_queue_t`**](https://developer.apple.com/documentation/dispatch/dispatch\_queue\_t) **`queue,`** [**`dispatch_block_t`**](https://developer.apple.com/documentation/dispatch/dispatch\_block\_t) **`block`**

Voici la **structure d'un Bloc** :
```c
struct Block {
void *isa; // NSConcreteStackBlock,...
int flags;
int reserved;
void *invoke;
struct BlockDescriptor *descriptor;
// captured variables go here
};
```
Et voici un exemple d'utilisation de **parallélisme** avec **`dispatch_async`**:
```objectivec
#import <Foundation/Foundation.h>

// Define a block
void (^backgroundTask)(void) = ^{
// Code to be executed in the background
for (int i = 0; i < 10; i++) {
NSLog(@"Background task %d", i);
sleep(1);  // Simulate a long-running task
}
};

int main(int argc, const char * argv[]) {
@autoreleasepool {
// Create a dispatch queue
dispatch_queue_t backgroundQueue = dispatch_queue_create("com.example.backgroundQueue", NULL);

// Submit the block to the queue for asynchronous execution
dispatch_async(backgroundQueue, backgroundTask);

// Continue with other work on the main queue or thread
for (int i = 0; i < 10; i++) {
NSLog(@"Main task %d", i);
sleep(1);  // Simulate a long-running task
}
}
return 0;
}
```
## Swift

**`libswiftDispatch`** est une bibliothèque qui fournit des **liaisons Swift** au framework Grand Central Dispatch (GCD) qui est initialement écrit en C.\
La bibliothèque **`libswiftDispatch`** enveloppe les API C GCD dans une interface plus conviviale pour Swift, facilitant ainsi le travail des développeurs Swift avec GCD.

* **`DispatchQueue.global().sync{ ... }`**
* **`DispatchQueue.global().async{ ... }`**
* **`let onceToken = DispatchOnce(); onceToken.perform { ... }`**
* **`async await`**
* **`var (data, response) = await URLSession.shared.data(from: URL(string: "https://api.example.com/getData"))`**

**Exemple de code**:
```swift
import Foundation

// Define a closure (the Swift equivalent of a block)
let backgroundTask: () -> Void = {
for i in 0..<10 {
print("Background task \(i)")
sleep(1)  // Simulate a long-running task
}
}

// Entry point
autoreleasepool {
// Create a dispatch queue
let backgroundQueue = DispatchQueue(label: "com.example.backgroundQueue")

// Submit the closure to the queue for asynchronous execution
backgroundQueue.async(execute: backgroundTask)

// Continue with other work on the main queue
for i in 0..<10 {
print("Main task \(i)")
sleep(1)  // Simulate a long-running task
}
}
```
## Frida

Le script Frida suivant peut être utilisé pour **accrocher plusieurs fonctions `dispatch`** et extraire le nom de la file d'attente, la trace de la pile et le bloc : [**https://github.com/seemoo-lab/frida-scripts/blob/main/scripts/libdispatch.js**](https://github.com/seemoo-lab/frida-scripts/blob/main/scripts/libdispatch.js)
```bash
frida -U <prog_name> -l libdispatch.js

dispatch_sync
Calling queue: com.apple.UIKit._UIReusePool.reuseSetAccess
Callback function: 0x19e3a6488 UIKitCore!__26-[_UIReusePool addObject:]_block_invoke
Backtrace:
0x19e3a6460 UIKitCore!-[_UIReusePool addObject:]
0x19e3a5db8 UIKitCore!-[UIGraphicsRenderer _enqueueContextForReuse:]
0x19e3a57fc UIKitCore!+[UIGraphicsRenderer _destroyCGContext:withRenderer:]
[...]
```
## Ghidra

Actuellement, Ghidra ne comprend ni la structure ObjectiveC **`dispatch_block_t`**, ni celle de **`swift_dispatch_block`**.

Donc si vous voulez qu'il les comprenne, vous pouvez simplement les **déclarer** :

<figure><img src="../../.gitbook/assets/image (1157).png" alt="" width="563"><figcaption></figcaption></figure>

<figure><img src="../../.gitbook/assets/image (1159).png" alt="" width="563"><figcaption></figcaption></figure>

<figure><img src="../../.gitbook/assets/image (1160).png" alt="" width="563"><figcaption></figcaption></figure>

Ensuite, trouvez un endroit dans le code où ils sont **utilisés** :

{% hint style="success" %}
Notez toutes les références à "block" pour comprendre comment vous pourriez déterminer que la structure est utilisée.
{% endhint %}

<figure><img src="../../.gitbook/assets/image (1161).png" alt="" width="563"><figcaption></figcaption></figure>

Cliquez avec le bouton droit sur la variable -> Retype Variable et sélectionnez dans ce cas **`swift_dispatch_block`** :

<figure><img src="../../.gitbook/assets/image (1162).png" alt="" width="563"><figcaption></figcaption></figure>

Ghidra réécrira automatiquement tout :

<figure><img src="../../.gitbook/assets/image (1163).png" alt="" width="563"><figcaption></figcaption></figure>

## Références

* [**\*OS Internals, Volume I: User Mode. Par Jonathan Levin**](https://www.amazon.com/MacOS-iOS-Internals-User-Mode/dp/099105556X)