TTD 专题 (第一篇)：C# 那些短命线程都在干什么？

时间：2022-10-06 09:06:40

一：背景

1.讲故事

在分析的众多dump中，经常会遇到各种奇葩的问题，仅通过dump这种快照形式还是有很多问题搞不定，而通过 perfview 这种粒度又太粗，很难找到问题之所在，真的很头疼，比如本篇的 短命线程 问题，参考图如下：

TTD 专题 (第一篇)：C# 那些短命线程都在干什么？

我们在 t2 时刻抓取的dump对查看 短命线程 毫无帮助，我根本就不知道这个线程生前执行了什么代码，为什么这么短命，还就因为这样的短命让 线程池 的线程暴增。

为了能尽最大努力解决此类问题，武器库中还得再充实一下，比如本系列要聊的 Time Travel Debug，即时间旅行调试。

二： Time Travel Debug

1. 什么是 时间旅行调试

如果说 dump 是程序的一张照片，那 TTD 就是程序的一个短视频，很显然短视频的信息量远大于一张照片，因为视频记录着疑难杂症的前因后果，参考价值巨大，简直就是银弹般的存在。

三：案例演示

1. 参考代码

这是我曾经遇到的一个真实案例，在没有 TTD 的协助下最终也艰难的找到了问题，但如果有 TTD 的协助简直就可以秒杀，为了方便说明，先上一个测试代码。


    internal class Program
    {
        static void Main(string[] args)
        {
            for (int i = 0; i < 200; i++)
            {
                Task.Run(() =>
                {
                    Test();
                });
            }

            Console.ReadLine();
        }
        public static int index = 1;

        static void Test()
        {
            Thread.Sleep(1000);

            var i = 10;
            var j = 20;

            var sum = i + j;

            Console.WriteLine($"i={index++},sum={sum}");
        }
    }

程序跑完之后，我们抓一个dump文件，输出如下。


0:000> !t
ThreadCount:      20
UnstartedThread:  0
BackgroundThread: 7
PendingThread:    0
DeadThread:       13
Hosted Runtime:   no
                                                                             Lock  
 DBG   ID     OSID ThreadOBJ    State GC Mode     GC Alloc Context  Domain   Count Apt Exception
   0    1     12f8 00C4AF20  80030220 Preemptive  03C3FFAC:03C40000 00c462f8 -00001 Ukn 
   6    2     6a70 00C5BBD8     2b220 Preemptive  03C521B8:03C53FE8 00c462f8 -00001 MTA (Finalizer) 
XXXX    4        0 00C9FEB0   1039820 Preemptive  00000000:00000000 00c462f8 -00001 Ukn (Threadpool Worker) 
   7    5     6694 00CA0990   302b220 Preemptive  03C40314:03C41FE8 00c462f8 -00001 MTA (Threadpool Worker) 
XXXX    6        0 00CB53B8   1039820 Preemptive  00000000:00000000 00c462f8 -00001 Ukn (Threadpool Worker) 
XXXX    7        0 00CB5958   1039820 Preemptive  00000000:00000000 00c462f8 -00001 Ukn (Threadpool Worker) 
XXXX    8        0 00CB4338   1039820 Preemptive  00000000:00000000 00c462f8 -00001 Ukn (Threadpool Worker) 
XXXX    9        0 00CB4C58   1039820 Preemptive  00000000:00000000 00c462f8 -00001 Ukn (Threadpool Worker) 
XXXX   10        0 08879278   1039820 Preemptive  00000000:00000000 00c462f8 -00001 Ukn (Threadpool Worker) 
   8   11     5d10 08879E90   102b220 Preemptive  03C2AC2C:03C2BFE8 00c462f8 -00001 MTA (Threadpool Worker) 
XXXX   12        0 0887D1F8   1039820 Preemptive  00000000:00000000 00c462f8 -00001 Ukn (Threadpool Worker) 
XXXX   13        0 0887C0D8   1039820 Preemptive  00000000:00000000 00c462f8 -00001 Ukn (Threadpool Worker) 
XXXX   14        0 0887AB70   1039820 Preemptive  00000000:00000000 00c462f8 -00001 Ukn (Threadpool Worker) 
XXXX   15        0 0887B400   1039820 Preemptive  00000000:00000000 00c462f8 -00001 Ukn (Threadpool Worker) 
XXXX   16        0 0887D640   1039820 Preemptive  00000000:00000000 00c462f8 -00001 Ukn (Threadpool Worker) 
XXXX   17        0 0887A728   1039820 Preemptive  00000000:00000000 00c462f8 -00001 Ukn (Threadpool Worker) 
   9   18     5658 0887C520   102b220 Preemptive  03C46684:03C47FE8 00c462f8 -00001 MTA (Threadpool Worker) 
  10   19      564 0887C968   102b220 Preemptive  03C4A664:03C4BFE8 00c462f8 -00001 MTA (Threadpool Worker) 
XXXX   20        0 0887AFB8   1039820 Preemptive  00000000:00000000 00c462f8 -00001 Ukn (Threadpool Worker) 
  11    3     547c 0887A2E0     2b220 Preemptive  03C50008:03C51FE8 00c462f8 -00001 MTA

2. 为什么会有很多短命线程

从 windbg 的输出看有很多的 XXX，那原因是什么呢？ 还得先观察下代码，可以看到代码会给 ThreadPool 分发 100 次任务，每个任务也就 1s 的运行时间，这样的代码会造成 ThreadPool 的工作线程处理不及继而会产生更多的工作线程，在某一时刻那些 Sleep 后的线程又会规模性唤醒，ThreadPool 为了能够平衡工作者线程，就会灭掉很多的线程，造成 ThreadPool 中的暴涨暴跌现象。

因果关系是搞清楚了，但对于落地是没有任何帮助的，比如线程列表倒数第二行已死掉的线程：


XXXX   20        0 0887AFB8   1039820 Preemptive  00000000:00000000 00c462f8 -00001 Ukn (Threadpool Worker)

你是没法让它起死回生的，对吧？这时候就必须借助 TTD 录制一个小视频。

3. TTD 录制

录制非常简单，选择 Lauch executable (advanced) 项再勾选 Record 即可，截图如下：

TTD 专题 (第一篇)：C# 那些短命线程都在干什么？

等程序执行完了或者你觉得时机合适再点击 Stop and Debug 停止录制，截图如下：

TTD 专题 (第一篇)：C# 那些短命线程都在干什么？

稍等片刻，你会得到如下三个文件。

  1. ConsoleApp101.run 录制文件
  2. ConsoleApp101.idx 录制的索引文件
  3. ConsoleApp101.out 日志文件

4. 分析思路

  1. 找到 tid=20 的 OSID 线程ID

因为此时的 tid=20 的 OSID 已经不存在了，所以用 !tt 在时间刻度上折半查找 OSID 存在的 position。


0:007> !tt 94
Setting position to 94% into the trace
Setting position: 396DB:0
(5ac8.20): Break instruction exception - code 80000003 (first/second chance not available)
Time Travel Position: 396DB:0
eax=00be602c ebx=00c7c2b0 ecx=00be6028 edx=0024e000 esi=00be6028 edi=00000000
eip=77d8e925 esp=07acf1c8 ebp=07acf1c8 iopl=0         nv up ei pl nz na po nc
cs=0023  ss=002b  ds=002b  es=002b  fs=0053  gs=002b             efl=00000202
ntdll!RtlEnterCriticalSection+0x15:
77d8e925 f00fba3000      lock btr dword ptr [eax],0   ds:002b:00be602c=ffffffff
0:007> !t
ThreadCount:      20
UnstartedThread:  0
BackgroundThread: 19
PendingThread:    0
DeadThread:       0
Hosted Runtime:   no
                                                                         Lock  
 DBG   ID     OSID ThreadOBJ    State GC Mode     GC Alloc Context  Domain   Count Apt Exception
  ...
  24   20     145c 0887AFB8   302b220 Preemptive  03C4C1A4:03C4DFE8 00c462f8 -00001 MTA (Threadpool Worker)

可以清楚的看到原来是 OSID =145c 及WindbgID=24 有了这个信息不代表此时它正在执行托管方法，所以我们还需要找到这个 145c 是何时出生的？

  1. 找到当前视频中所有的 ThreadCreated 事件。

可以在 Events 输出信息中检索 id=0x145c 的线程出生信息。


0:024> dx -r2 @$curprocess.TTD.Events.Where(t => t.Type == "ThreadCreated").Select(t => t.Thread).Where(t=>t.Id==0x145c).Select(t=>t)
@$curprocess.TTD.Events.Where(t => t.Type == "ThreadCreated").Select(t => t.Thread).Where(t=>t.Id==0x145c).Select(t=>t)                
    [0x0]            : UID: 27, TID: 0x145C
        UniqueId         : 0x1b
        Id               : 0x145c
        Lifetime         : [38B21:0, 3BB45:0]
        ActiveTime       : [38B6A:0, 3BB45:0]
        GatherMemoryUse  [Gather inputs, outputs and memory used by a range of execution within a thread]

从输出中可以看到, Lifetime 表示这个线程的一生, ActiveTime 则是从线程的Start处开始的，画个图如下：

TTD 专题 (第一篇)：C# 那些短命线程都在干什么？

接下来将进度条调到 !tt 38B21:0 处，那如何看代码进入到托管方法中呢？这个就得各显神通，我知道的有这么几种。

  1. 使用单步调试

先用 !tt 调整大致范围，然后用 p,pc,pt,t,tc,tt 微调，比如我们这篇的 !tt 94 就能获取到 tid=20 号线程的托管部分。


0:024> !tt 94
Setting position to 94% into the trace
Setting position: 396DB:0
(5ac8.20): Break instruction exception - code 80000003 (first/second chance not available)
Time Travel Position: 396DB:0
eax=00be602c ebx=00c7c2b0 ecx=00be6028 edx=0024e000 esi=00be6028 edi=00000000
eip=77d8e925 esp=07acf1c8 ebp=07acf1c8 iopl=0         nv up ei pl nz na po nc
cs=0023  ss=002b  ds=002b  es=002b  fs=0053  gs=002b             efl=00000202
ntdll!RtlEnterCriticalSection+0x15:
77d8e925 f00fba3000      lock btr dword ptr [eax],0   ds:002b:00be602c=ffffffff
0:007> ~24s
eax=00000000 ebx=0b1bfab8 ecx=00000000 edx=00000000 esi=00000001 edi=0b1bfab8
eip=77dc196c esp=0b1bfa78 ebp=0b1bfadc iopl=0         nv up ei pl nz na pe nc
cs=0023  ss=002b  ds=002b  es=002b  fs=0053  gs=002b             efl=00000206
ntdll!NtDelayExecution+0xc:
77dc196c c20800          ret     8
0:024> !clrstack 
OS Thread Id: 0x145c (24)
Child SP       IP Call Site
0B1BFB50 77dc196c [HelperMethodFrame: 0b1bfb50] System.Threading.Thread.SleepInternal(Int32)
0B1BFBBC 07b90694 
0B1BFBD0 03b99078 ConsoleApp1.Program.Test()
0B1BFC04 03b98a03 ConsoleApp1.Program+c.b__0_0()
0B1BFC10 07b9065d System.Threading.Tasks.Task.InnerInvoke() [/_/src/libraries/System.Private.CoreLib/src/System/Threading/Tasks/Task.cs @ 2387]
0B1BFC1C 07b900cd System.Threading.Tasks.Task+c.<.cctor>b__272_0(System.Object) [/_/src/libraries/System.Private.CoreLib/src/System/Threading/Tasks/Task.cs @ 2375]
0B1BFC24 07b90047 System.Threading.ExecutionContext.RunFromThreadPoolDispatchLoop(System.Threading.Thread, System.Threading.ExecutionContext, System.Threading.ContextCallback, System.Object) [/_/src/libraries/System.Private.CoreLib/src/System/Threading/ExecutionContext.cs @ 268]
0B1BFC54 07b907d2 System.Threading.Tasks.Task.ExecuteWithThreadLocal(System.Threading.Tasks.Task ByRef, System.Threading.Thread) [/_/src/libraries/System.Private.CoreLib/src/System/Threading/Tasks/Task.cs @ 2337]
0B1BFCB8 03b9ff34 System.Threading.Tasks.Task.ExecuteEntryUnsafe(System.Threading.Thread) [/_/src/libraries/System.Private.CoreLib/src/System/Threading/Tasks/Task.cs @ 2277]
0B1BFCC8 070f7a36 System.Threading.ThreadPoolWorkQueue.Dispatch()
0B1BFD24 070ff222 System.Threading.PortableThreadPool+WorkerThread.WorkerThreadStart() [/_/src/libraries/System.Private.CoreLib/src/System/Threading/PortableThreadPool.WorkerThread.cs @ 63]
0B1BFDB0 070e6545 System.Threading.Thread.StartCallback() [/_/src/coreclr/System.Private.CoreLib/src/System/Threading/Thread.CoreCLR.cs @ 105]
0B1BFF04 0307b9cf [DebuggerU2MCatchHandlerFrame: 0b1bff04]
  1. 对 compileMethod 方法下断点

C# 的一个特性就是很多方法都是由 JIT 动态编译的，因为很多方法都是未编译，所以遇到编译事件的时候执行流很大概率就在托管层。


0:024> bp clrjit!CILJit::compileMethod
0:024> g
Breakpoint 0 hit
Time Travel Position: 3939B:12E9
eax=07acf8c8 ebx=07acf9d4 ecx=503d34b0 edx=00000000 esi=502bca30 edi=503d34b0
eip=502bca30 esp=07acf784 ebp=07acf9c8 iopl=0         nv up ei ng nz na po nc
cs=0023  ss=002b  ds=002b  es=002b  fs=0053  gs=002b             efl=00000282
clrjit!CILJit::compileMethod:
502bca30 55              push    ebp

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