记一次 .NET某工控自动化系统 崩溃分析

一：背景

1. 讲故事

前些天微信上有位朋友找到我，说他的程序偶发崩溃，分析了个把星期也没找到问题，耗费了不少人力物力，让我能不能帮他看一下，给我申请了经费，哈哈，遇到这样的朋友就是爽快，刚好周二晚上给调试训练营的朋友分享 GC标记阶段 相关知识，而这个dump所展示的问题是对这块知识的一个很好的巩固，接下来我们开始分析吧。

二：WinDbg分析

1. 为什么会崩溃

要想找到崩溃原因，还是用老命令 !analyze -v ，输出如下：

0:005> !analyze -v
CONTEXT:  (.ecxr)
eax=063ce258 ebx=07b90000 ecx=0063552e edx=0063552e esi=03070909 edi=03070909
eip=71954432 esp=063ce220 ebp=063ce23c iopl=0         nv up ei pl nz na pe nc
cs=0023  ss=002b  ds=002b  es=002b  fs=0053  gs=002b             efl=00010206
clr!WKS::gc_heap::mark_object_simple+0x12:
71954432 8b0f            mov     ecx,dword ptr [edi]  ds:002b:03070909=????????
Resetting default scope

EXCEPTION_RECORD:  (.exr -1)
ExceptionAddress: 71954432 (clr!WKS::gc_heap::mark_object_simple+0x00000012)
   ExceptionCode: c0000005 (Access violation)
  ExceptionFlags: 00000001
NumberParameters: 2
   Parameter[0]: 00000000
   Parameter[1]: 03070909
Attempt to read from address 03070909

STACK_TEXT:  
063ce23c 719543fc     063ce258 0a76cc88 71954260 clr!WKS::gc_heap::mark_object_simple+0x12
063ce25c 71950b62     0a76cc88 063cec88 00000000 clr!WKS::GCHeap::Promote+0xa8
...
063cec28 71950fa3     71950da0 063cec40 00000500 clr!Thread::StackWalkFrames+0x9d
063cec4c 7195103e     063cec88 00000002 00000000 clr!standalone::ScanStackRoots+0x43
063cec68 71954038     0079cb88 063cec88 00080101 clr!GCToEEInterface::GcScanRoots+0xdb
063cecc0 71953225     00080101 00000000 00000001 clr!WKS::gc_heap::mark_phase+0x17e
063cece0 7195355b     71f75da0 00000000 00000001 clr!WKS::gc_heap::gc1+0xae
063cecf8 71953665     71f75fb4 71f75fb4 00000000 clr!WKS::gc_heap::garbage_collect+0x367
063ced18 7195376a     00000000 00000000 71f75fb4 clr!WKS::GCHeap::GarbageCollectGeneration+0x1bd
...

从卦中信息看，当前执行流处于GC标记阶段，并且是在各个线程栈上寻找用户根，在寻找的过程中踩到了坏内存，接下来需要捋一下是什么逻辑踩到的，可以用 u 反汇编一下。

0:005> u WKS::gc_heap::mark_object_simple
clr!WKS::gc_heap::mark_object_simple:
71954420 55              push    ebp
71954421 8bec            mov     ebp,esp
71954423 83ec18          sub     esp,18h
71954426 8b4508          mov     eax,dword ptr [ebp+8]
71954429 57              push    edi
7195442a 8b38            mov     edi,dword ptr [eax]
7195442c 89bde8ffffff    mov     dword ptr [ebp-18h],edi
71954432 8b0f            mov     ecx,dword ptr [edi]
...

从汇编逻辑看，这是将方法的第一个参数进行解引用，参考 coreclr 的源码。

void gc_heap::mark_object_simple(uint8_t** po THREAD_NUMBER_DCL)
{
	uint8_t* o = *po;

	if (gc_mark1(o))
	{
        ...
	}
}

结合C++代码，edi=03070909 就是上面的o，也就是需要标记的托管对象，但现在这个 o 是一个坏对象，那为什么会坏掉呢？

2. 为什么 o 坏掉了

按照过往经验肯定是托管堆损坏了，可以用 !verifyheap 观察下。

0:005> !verifyheap
No heap corruption detected.

从卦中看，我去，托管堆居然是好的，过往经验在这个dump里被击的粉碎，接下来要往哪里突破呢？ 可以观察下这个托管地址和当前的托管segment在空间距离上的特征，命令输出如下：

0:005> !address 03070909

Usage:                  
Base Address:           02ca2000
End Address:            036f0000
Region Size:            00a4e000 (  10.305 MB)
State:                  00002000          MEM_RESERVE
Protect:                
Type:                   00020000          MEM_PRIVATE
Allocation Base:        026f0000
Allocation Protect:     00000004          PAGE_READWRITE

0:005> !eeheap -gc
Number of GC Heaps: 1
generation 0 starts at 0x06ca7a7c
generation 1 starts at 0x06b91000
generation 2 starts at 0x026f1000
ephemeral segment allocation context: none
 segment     begin  allocated      size
026f0000  026f1000  02c98f8c  0x5a7f8c(5930892)
06b90000  06b91000  0732b3d0  0x79a3d0(7971792)
Large object heap starts at 0x036f1000
 segment     begin  allocated      size
036f0000  036f1000  03c78da0  0x587da0(5799328)
Total Size:              Size: 0x12ca0fc (19702012) bytes.
------------------------------
GC Heap Size:    Size: 0x12ca0fc (19702012) bytes.

0:005> !address

  BaseAddr EndAddr+1 RgnSize     Type       State                 Protect             Usage
-----------------------------------------------------------------------------------------------
...
+  26f0000  2ca2000   5b2000 MEM_PRIVATE MEM_COMMIT  PAGE_READWRITE                       [..........o.....]
   2ca2000  36f0000   a4e000 MEM_PRIVATE MEM_RESERVE                                      
...

说实话，有经验的朋友看到这卦中信息马上就知道是怎么回事了，步骤大概是这样的。

• 03070909 曾经实打实的分配在 SOH 上
• GC 触发后，03070909 所在的 segment 被收缩，同时对象被移走。
• 但不知为何，线程栈还保留了这个老地址 03070909，而不是新地址

出现这种情况的原因，大多是 C# 和 C++ 交互时没有把 03070909 给固定住(GCHandle.Alloc)，导致GC触发对象移动之后，会存在两种情况的崩溃。

1. C++ 层面的崩溃：因为此时的C++拿的地址不再有效了，导致在非托管层崩溃。

2. CLR 层面的崩溃：线程如果在C++层面僵持，托管层GC触发时会误认为这个无效的地址还是一个有效的对象，进而在标记阶段导致程序崩溃。

有些朋友可能被我说懵了，画个简图如下：

由于这个dump属于第二种崩溃，即存在僵死的线程，接下来就是想办法找到这个线程。

3. 僵死的线程在哪里

如果你了解GC标记阶段的底层运作，我相信你很容易找出这个答案的，对，只需要找到 ScanStackRoots 函数的第一个参数即可，参考代码如下：

void GCToEEInterface::GcScanRoots(promote_func* fn, int condemned, int max_gen, ScanContext* sc)
{
	Thread* pThread = NULL;
	while ((pThread = ThreadStore::GetThreadList(pThread)) != NULL)
	{
		ScanStackRoots(pThread, fn, sc);
	}
}

接下来上 windbg 在崩溃的线程栈上实操一下。

0:005> kb 8
 # ChildEBP RetAddr      Args to Child              
00 063ce23c 719543fc     063ce258 0a76cc88 71954260 clr!WKS::gc_heap::mark_object_simple+0x12
01 063ce25c 71950b62     0a76cc88 063cec88 00000000 clr!WKS::GCHeap::Promote+0xa8
02 063ce274 71951a35     063cec40 0a76cc88 00000000 clr!GcEnumObject+0x37
03 063ce5d8 71950e6f     063ce920 063ce870 00000000 clr!EECodeManager::EnumGcRefs+0x72b
04 063ce628 717bfaa4     063ce650 063cec40 71950da0 clr!GcStackCrawlCallBack+0x139
05 063ce8f4 717bfbaa     063ce920 71950da0 063cec40 clr!Thread::StackWalkFramesEx+0x92
06 063cec28 71950fa3     71950da0 063cec40 00000500 clr!Thread::StackWalkFrames+0x9d
07 063cec4c 7195103e     063cec88 00000002 00000000 clr!standalone::ScanStackRoots+0x43

0:005> dp 063cec88 L1
063cec88  08debbf8

0:005> !t
ThreadCount:      30
UnstartedThread:  0
BackgroundThread: 29
PendingThread:    0
DeadThread:       0
Hosted Runtime:   no
                                                                         Lock  
       ID OSID ThreadOBJ    State GC Mode     GC Alloc Context  Domain   Count Apt Exception
       ...
       30   26 3e98 08debbf8     2b220 Preemptive  00000000:00000000 0079cb88 0     MTA 
       ...

从卦中看，30号线程就是我苦苦寻找的僵死线程，接下来赶紧切过去看看，果然发现了C++的函数xxx.Driver.xxx，由于私密性，我就模糊一下了哈。

0:030> ~30s
eax=00000000 ebx=08debbf8 ecx=00000000 edx=00000000 esi=00000000 edi=00000244
eip=77872aac esp=0a76c9fc ebp=0a76ca6c 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!NtWaitForSingleObject+0xc:
77872aac c20c00          ret     0Ch
0:030> !clrstack 
OS Thread Id: 0x3e98 (30)
Child SP       IP Call Site
0a76cc18 77872aac [InlinedCallFrame: 0a76cc18] 
0a76cc0c 00aa8047 DomainBoundILStubClass.IL_STUB_PInvoke(UInt32, xxx ByRef)
0a76cc18 00aa6c67 [InlinedCallFrame: 0a76cc18] xxx.Driver.xxx(UInt32, xxx ByRef)
0a76ccc0 00aa6c67 xxx.Driver.xxxFault(UInt32, System.String)
...

既然发现了C++方法，最后还剩一个疑问，就是此时的03070909真的在非托管层吗？这个可以通过搜索它的线程栈地址。

0:030> s-d poi(@$teb+0x8) poi(@$teb+0x4) 03070909
0a76cc88  03070909 728f5d01 68d8c642 5c654b42  .....].rB..hBKe\

从代码中可以看到确实是在xxx.Driver.xxxFault方法里传给了C++，有了这些信息接下来就是告诉朋友，重点关注下这个方法，捋一下逻辑。

三：总结

说实话这个dump分析起来还是有一定难度的，它考验着你对GC标记阶段玩法的底层理解，即使这位朋友是C#编程高手，分析了个把星期找不出问题是能够理解的，毕竟术业有专攻，很开心的是这位朋友因此加了.NET高级调试训练营，哈哈，以dump会友。