Sandbox — 什么是沙盒、隔离原理和文件系统

什么是沙盒

Sandbox — 是一种强制访问控制系统（Mandatory Access Control），在 iOS 内核层面（XNU — kernel extension Sandbox.kext）实现。每个应用程序在启动时都会获得一个唯一的 UUID 沙盒配置文件，该文件确定允许访问哪些系统资源。

沙盒架构包括三个关键组件：File System Isolation（每个应用程序只能看到自己的容器），Network Access Control（对本地网络的请求可能会受到限制）和 Inter-Process Communication（禁止与其他应用程序直接进行 IPC）。苹果在 iOS 2.0 中引入了沙盒，此后在每个主要版本中都显著加强了限制。

沙盒不是可选的 — 所有来自 App Store 的应用程序都在沙盒中运行。开发者无法禁用沙盒或绕过其限制。尝试访问被禁止的资源会以 EPERM 代码（Operation not permitted）错误结束，并记录到系统日志中。

import Foundation

// 尝试访问其他应用程序文件 — 返回 nil
let otherAppPath = "/var/mobile/Containers/Data/Application/OTHER-UUID/Documents/file.txt"
let data = try? Data(contentsOf: URL(fileURLWithPath: otherAppPath))
// data == nil — 沙盒阻止访问

// 正确访问 — 在自己的沙盒内
let fileManager = FileManager.default
guard let documentsURL = fileManager.urls(
    for: .documentDirectory,
    in: .userDomainMask
).first else { return }

let myFileURL = documentsURL.appendingPathComponent("notes.txt")
try "Hello, Sandbox!".write(to: myFileURL, atomically: true, encoding: .utf8)

应用程序沙盒的结构

iOS 上每个应用程序的沙盒包含几个预定义的目录，可通过 Foundation API 访问。在物理介质上的位置 — /var/mobile/Containers/Data/Application/{UUID}/，但开发者不应直接使用此路径：它在每次设备重启时都会更改，并且在不同的 iOS 版本中有所不同。

沙盒的主要目录：Bundle（.app — 只读，包含可执行代码和资源），Documents（用户数据，备份到 iCloud），Library（Caches、Preferences、Application Support — 具有不同的备份规则），tmp（临时文件，空间不足时由系统删除）。每个目录都有自己的生命周期和存储策略。

可以通过 NSHomeDirectory() 或 FileManager.url(for: .documentDirectory) 获取沙盒的物理路径。苹果建议使用基于 URL 的 API，因为它抽象了文件系统的内部结构，并且在 macOS 桌面版沙盒发生变化时保持稳定。

访问沙盒外的文件

直接访问 iOS 中其他应用程序的文件系统被完全阻止。即使开发者知道其他应用程序容器的 UUID，内核级别的沙盒在尝试读取或写入时会返回错误。这是 iOS 和 macOS 之间的根本区别，macOS 中的沙盒更加灵活。

苹果提供三种合法的应用程序间数据交换机制：UIDocumentPickerViewController（用户通过系统界面选择文件，应用程序获得 Security-Scoped URL），Share Extension（用于将数据传输到其他应用程序的扩展）和 App Groups（同一开发者的应用程序的共享目录）。

UIDocumentPicker — 无需预先配置即可访问其他应用程序文件的唯一方式。用户通过标准系统选择器显式选择文件，iOS 向应用程序提供临时的 Security-Scoped URL。访问权限在选择器关闭或调用 stopAccessingSecurityScopedResource 之前有效。

Security-Scoped Bookmarks

Security-Scoped Bookmark — 是一种 iOS 机制，允许在应用程序启动之间保持对沙盒外文件的访问。当用户通过 UIDocumentPicker 选择文件时，应用程序可以从 Security-Scoped URL 创建书签（bookmark）并将其保存在 UserDefaults 或其他存储中。

在下次启动时，应用程序通过 URLByResolvingBookmarkData 恢复访问，该函数返回 Security-Scoped URL。然后需要在读取文件前调用 startAccessingSecurityScopedResource，在完成工作后调用 stopAccessingSecurityScopedResource。调用平衡是强制性的 — 每个 start 必须有相应的 stop，否则系统将耗尽 Security-Scoped 资源限制。

// 创建 Security-Scoped Bookmark
func createBookmark(for url: URL) -> Data? {
    return try? url.bookmarkData(
        options: .minimalBookmark,
        includingResourceValuesForKeys: nil,
        relativeTo: nil
    )
}

// 将书签数据解析为 URL
func resolveBookmark(data: Data) -> URL? {
    var isStale = false
    let url = try? URL.byResolvingBookmarkData(
        data,
        options: .withoutUI,
        relativeTo: nil,
        bookmarkDataIsStale: &isStale
    )
    
    if isStale {
        // 书签已过期，需要创建新的
    }
    
    return url
}

重要限制：Security-Scoped Bookmarks 不适用于自己沙盒内的文件 — 仅适用于通过 UIDocumentPicker 或 iCloud Drive 获取的文件。书签包含 Security-Scoped 数据，允许系统识别哪个应用程序以及为哪个文件请求访问。如果应用程序证书过期或更改，书签将失效。

沙盒和 App Groups

App Groups — 是一种 iOS 机制，允许同一开发者的多个应用程序（及其扩展）拥有共享的沙盒目录。要启用，需要在 Xcode 中添加 Capability App Groups 并为所有目标应用程序指定相同的组标识符。

共享的 App Groups 目录位于每个单独应用程序的沙盒之外，但组中的所有应用程序对其拥有完全读写访问权限。这允许在主应用程序、Today Widget、Watch Extension 和 Share Extension 之间交换文件、数据库（使用 App Group 中 Store URL 的 Core Data）和 UserDefaults（通过 initWithSuiteName）。

苹果建议使用 App Groups 在应用程序及其扩展之间同步状态。例如，Today Widget 可以从共享的 App Group 目录读取数据，主应用程序将最新数据写入该目录。然而，每个应用程序仍然与其他 App Groups 隔离 — 只有具有相同组标识符的应用程序才能访问。

iOS 中沙盒的限制

iOS 中的沙盒施加了一系列严格的限制，在开发时必须考虑。主要限制包括：禁止动态代码（在沙盒外加载和执行代码），禁止未经用户许可直接访问通讯录、日历和照片（Privacy framework），以及限制创建子进程（fork、exec 被禁止）。

网络：应用程序可以通过 TCP/UDP 连接到任何远程服务器，但对 localhost 的访问受到限制 — 其他应用程序无法连接到您的应用程序内的服务器（调试构建除外）。App Store 应用程序的 multicast 和 broadcast UDP 也被阻止。

硬件资源：访问相机、麦克风、地理位置、蓝牙和 HealthKit 需要通过系统对话框获得用户的显式许可。对于每种资源类型，iOS 使用单独的 entitlement 和带有原因描述的 Info.plist 键（NSPhotoLibraryUsageDescription、NSCameraUsageDescription）。在 Info.plist 中没有原因描述的情况下请求权限会导致应用程序终止。

• 动态代码 — 禁止：WebView 中 JS 的 JavaScriptCore，但不是任意机器代码
• 子进程 — fork、exec、system 无法从沙盒中使用
• 设备访问 — 相机、麦克风、GPS 需要系统对话框
• 本地网络 — App Store 的 multicast 和 broadcast UDP 被阻止
• 加密密钥 — Keychain 可用，但仅限自己的应用程序（App Group 使用 kSecAttrAccessGroup）