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# macOS GCD - Grand Central Dispatch
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## 基本信息
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**Grand Central Dispatch (GCD)**，也称为 **libdispatch** (`libdispatch.dyld`)，在 macOS 和 iOS 中均可用。它是苹果公司开发的一项技术，旨在优化应用程序对多核硬件上并发（多线程）执行的支持。
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**GCD** 提供并管理 **FIFO 队列**，您的应用程序可以将任务以 **块对象** 的形式 **提交**。提交到调度队列的块将在系统完全管理的线程池上 **执行**。GCD 自动创建线程以执行调度队列中的任务，并安排这些任务在可用核心上运行。
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> [!TIP]
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> 总之，为了 **并行** 执行代码，进程可以将 **代码块发送到 GCD**，GCD 将负责它们的执行。因此，进程不会创建新线程；**GCD 使用其自己的线程池执行给定的代码**（线程池可能根据需要增加或减少）。
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这对于成功管理并行执行非常有帮助，极大地减少了进程创建的线程数量，并优化了并行执行。这对于需要 **高度并行性**（暴力破解？）的任务或不应阻塞主线程的任务是理想的：例如，iOS 上的主线程处理 UI 交互，因此任何可能导致应用程序挂起的其他功能（搜索、访问网络、读取文件等）都是以这种方式管理的。
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### 块
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块是一个 **自包含的代码段**（像一个带参数返回值的函数），也可以指定绑定变量。\
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然而，在编译器级别，块并不存在，它们是 `os_object`。每个这些对象由两个结构组成：
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- **块字面量**：
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- 它以 **`isa`** 字段开始，指向块的类：
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- `NSConcreteGlobalBlock`（来自 `__DATA.__const` 的块）
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- `NSConcreteMallocBlock`（堆中的块）
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- `NSConcreateStackBlock`（栈中的块）
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- 它有 **`flags`**（指示块描述符中存在的字段）和一些保留字节
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- 调用的函数指针
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- 指向块描述符的指针
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- 导入的块变量（如果有）
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- **块描述符**：其大小取决于存在的数据（如前面标志所示）
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- 它有一些保留字节
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- 它的大小
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- 通常会有一个指向 Objective-C 风格签名的指针，以了解参数需要多少空间（标志 `BLOCK_HAS_SIGNATURE`）
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- 如果引用了变量，则该块还将具有指向复制助手（在开始时复制值）和处置助手（释放它）的指针。
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### 队列
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调度队列是一个命名对象，提供块的 FIFO 执行顺序。
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块被设置在队列中以供执行，这些队列支持 2 种模式：`DISPATCH_QUEUE_SERIAL` 和 `DISPATCH_QUEUE_CONCURRENT`。当然，**串行**队列 **不会有竞争条件** 问题，因为块不会在前一个块完成之前执行。但 **另一种类型的队列可能会有**。
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默认队列：
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- `.main-thread`: 来自 `dispatch_get_main_queue()`
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- `.libdispatch-manager`: GCD 的队列管理器
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- `.root.libdispatch-manager`: GCD 的队列管理器
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- `.root.maintenance-qos`: 最低优先级任务
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- `.root.maintenance-qos.overcommit`
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- `.root.background-qos`: 可用作 `DISPATCH_QUEUE_PRIORITY_BACKGROUND`
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- `.root.background-qos.overcommit`
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- `.root.utility-qos`: 可用作 `DISPATCH_QUEUE_PRIORITY_NON_INTERACTIVE`
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- `.root.utility-qos.overcommit`
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- `.root.default-qos`: 可用作 `DISPATCH_QUEUE_PRIORITY_DEFAULT`
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- `.root.background-qos.overcommit`
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- `.root.user-initiated-qos`: 可用作 `DISPATCH_QUEUE_PRIORITY_HIGH`
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- `.root.background-qos.overcommit`
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- `.root.user-interactive-qos`: 最高优先级
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- `.root.background-qos.overcommit`
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请注意，系统将决定 **每个时刻哪个线程处理哪个队列**（多个线程可能在同一队列中工作，或者同一线程可能在某些时刻在不同队列中工作）
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#### 属性
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使用 **`dispatch_queue_create`** 创建队列时，第三个参数是 `dispatch_queue_attr_t`，通常是 `DISPATCH_QUEUE_SERIAL`（实际上是 NULL）或 `DISPATCH_QUEUE_CONCURRENT`，这是指向 `dispatch_queue_attr_t` 结构的指针，允许控制队列的一些参数。
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### 调度对象
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libdispatch 使用多个对象，队列和块只是其中的 2 个。可以使用 `dispatch_object_create` 创建这些对象：
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- `block`
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- `data`: 数据块
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- `group`: 块组
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- `io`: 异步 I/O 请求
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- `mach`: Mach 端口
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- `mach_msg`: Mach 消息
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- `pthread_root_queue`: 带有 pthread 线程池的队列，而不是工作队列
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- `queue`
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- `semaphore`
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- `source`: 事件源
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## Objective-C
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在 Objective-C 中，有不同的函数可以将块发送以并行执行：
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- [**dispatch_async**](https://developer.apple.com/documentation/dispatch/1453057-dispatch_async): 提交一个块以在调度队列上异步执行，并立即返回。
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- [**dispatch_sync**](https://developer.apple.com/documentation/dispatch/1452870-dispatch_sync): 提交一个块对象以执行，并在该块执行完成后返回。
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- [**dispatch_once**](https://developer.apple.com/documentation/dispatch/1447169-dispatch_once): 在应用程序的生命周期内仅执行一次块对象。
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- [**dispatch_async_and_wait**](https://developer.apple.com/documentation/dispatch/3191901-dispatch_async_and_wait): 提交一个工作项以执行，并仅在其完成执行后返回。与 [**`dispatch_sync`**](https://developer.apple.com/documentation/dispatch/1452870-dispatch_sync) 不同，此函数在执行块时尊重队列的所有属性。
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这些函数期望这些参数：[**`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`**
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这是 **块的结构**：
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```c
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struct Block {
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void *isa; // NSConcreteStackBlock,...
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int flags;
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int reserved;
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void *invoke;
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struct BlockDescriptor *descriptor;
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// captured variables go here
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};
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```
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这是一个使用 **parallelism** 和 **`dispatch_async`** 的示例：
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```objectivec
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#import <Foundation/Foundation.h>
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// Define a block
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void (^backgroundTask)(void) = ^{
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// Code to be executed in the background
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for (int i = 0; i < 10; i++) {
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NSLog(@"Background task %d", i);
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sleep(1); // Simulate a long-running task
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}
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};
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int main(int argc, const char * argv[]) {
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@autoreleasepool {
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// Create a dispatch queue
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dispatch_queue_t backgroundQueue = dispatch_queue_create("com.example.backgroundQueue", NULL);
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// Submit the block to the queue for asynchronous execution
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dispatch_async(backgroundQueue, backgroundTask);
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// Continue with other work on the main queue or thread
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for (int i = 0; i < 10; i++) {
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NSLog(@"Main task %d", i);
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sleep(1); // Simulate a long-running task
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}
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}
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return 0;
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}
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```
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## Swift
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**`libswiftDispatch`** 是一个库，提供 **Swift 绑定** 到 Grand Central Dispatch (GCD) 框架，该框架最初是用 C 编写的。\
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**`libswiftDispatch`** 库将 C GCD API 封装在一个更适合 Swift 的接口中，使 Swift 开发者更容易和直观地使用 GCD。
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- **`DispatchQueue.global().sync{ ... }`**
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- **`DispatchQueue.global().async{ ... }`**
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- **`let onceToken = DispatchOnce(); onceToken.perform { ... }`**
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- **`async await`**
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- **`var (data, response) = await URLSession.shared.data(from: URL(string: "https://api.example.com/getData"))`**
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**代码示例**:
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```swift
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import Foundation
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// Define a closure (the Swift equivalent of a block)
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let backgroundTask: () -> Void = {
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for i in 0..<10 {
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print("Background task \(i)")
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sleep(1) // Simulate a long-running task
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}
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}
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// Entry point
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autoreleasepool {
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// Create a dispatch queue
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let backgroundQueue = DispatchQueue(label: "com.example.backgroundQueue")
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// Submit the closure to the queue for asynchronous execution
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backgroundQueue.async(execute: backgroundTask)
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// Continue with other work on the main queue
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for i in 0..<10 {
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print("Main task \(i)")
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sleep(1) // Simulate a long-running task
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}
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}
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```
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## Frida
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以下 Frida 脚本可用于 **hook 进入多个 `dispatch`** 函数并提取队列名称、回溯和块: [**https://github.com/seemoo-lab/frida-scripts/blob/main/scripts/libdispatch.js**](https://github.com/seemoo-lab/frida-scripts/blob/main/scripts/libdispatch.js)
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```bash
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frida -U <prog_name> -l libdispatch.js
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dispatch_sync
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Calling queue: com.apple.UIKit._UIReusePool.reuseSetAccess
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Callback function: 0x19e3a6488 UIKitCore!__26-[_UIReusePool addObject:]_block_invoke
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Backtrace:
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0x19e3a6460 UIKitCore!-[_UIReusePool addObject:]
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0x19e3a5db8 UIKitCore!-[UIGraphicsRenderer _enqueueContextForReuse:]
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0x19e3a57fc UIKitCore!+[UIGraphicsRenderer _destroyCGContext:withRenderer:]
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[...]
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```
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## Ghidra
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目前 Ghidra 既不理解 ObjectiveC **`dispatch_block_t`** 结构，也不理解 **`swift_dispatch_block`** 结构。
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所以如果你想让它理解这些结构，你可以**声明它们**：
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<figure><img src="../../images/image (1160).png" alt="" width="563"><figcaption></figcaption></figure>
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<figure><img src="../../images/image (1162).png" alt="" width="563"><figcaption></figcaption></figure>
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<figure><img src="../../images/image (1163).png" alt="" width="563"><figcaption></figcaption></figure>
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然后，在代码中找到它们**被使用**的地方：
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> [!TIP]
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> 注意所有提到“block”的引用，以了解你如何能够判断该结构正在被使用。
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<figure><img src="../../images/image (1164).png" alt="" width="563"><figcaption></figcaption></figure>
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右键单击变量 -> 重新定义变量，并在这种情况下选择 **`swift_dispatch_block`**：
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<figure><img src="../../images/image (1165).png" alt="" width="563"><figcaption></figcaption></figure>
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Ghidra 将自动重写所有内容：
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<figure><img src="../../images/image (1166).png" alt="" width="563"><figcaption></figcaption></figure>
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## References
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- [**\*OS Internals, Volume I: User Mode. By Jonathan Levin**](https://www.amazon.com/MacOS-iOS-Internals-User-Mode/dp/099105556X)
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