C++异常分析将Windbg附加到软件进程上排查异常闪退的问题

Posted 2022-06-13 dvlinker

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1、问题背景

2、将Windbg附加到进程上，发现软件发生异常时中断在DebugBreak接口上

3、根据Windbg中显示的函数调用堆栈，查看Webrtc库的开源代码，发现是new失败了 

4、malloc或new失败的可能原因分析

5、发生内存泄漏导致进程的用户态虚拟内存即将被用完，导致malloc失败

6、最后

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       近日业务组件组的同事在联调webrtc集成硬编硬解库功能时，发现我们的C++软件会频繁出现闪退的问题，邀请我过去帮忙分析一下。我们将Windbg工具附加到软件进程上调试运行，最终找出了原因，今天就来分享这一问题的排查过程。

1、问题背景

       我们的软件在入会后会进行繁重的视频编解码操作，一方面要执行本端图像的采集与编码，另一方面要将会议中接收的多路视频码流进行解码显示。大家都知道，音视频编解码操作会消耗大量的CPU资源，目前我们的视频编解码库使用的都是CPU软解，没有使用到GPU硬解。

       在一些散热比较差的电脑上，比如微软Surface平板电脑上，入会后一直在进行视频编解码操作，会占用大量的CPU资源，会导致CPU超频，超频后机器会产生更多的热量，而Surface平板散热很差，导致热量不能及时散发出去，温度会持续升高，当温度达到上限时就会降频（这是CPU防止温度过高的自我保护策略），比如如下的截图：

当前CPU的基准主频是2.5GHz，实际主频已经降频降到了1.22GHz。 降频后，CPU的处理能力会严重下降，会导致CPU跑满，导致系统严重卡顿，导致整个系统都没法操作了。所以我们想使用GPU进行硬编硬解，减少对CPU的占用，以解决使用CPU软编软解导致的系统卡顿问题。

       我们当前使用的是开源的webrtc库，视频的编解码操作都是在库中完成的。webrtc移动版本是自带硬编硬解的编解码库的，在移动平台上默认情况下也是启用硬编硬解的。但webrtc Windows平台的版本是不支持硬编硬解的，需要开发者自己去开发硬编硬解的编解码库，以插件的方式集成到webrtc库中的。

       开源组件组研究了硬编硬解的编解码算法，提交到业务组件这边进行集成联调。运行软件，加入到会议中，结果一会之后软件就闪退了，软件的异常捕获模块CrashReport没捕获到异常，很是奇怪！这个问题是必现的！

2、将Windbg附加到进程上，发现软件发生异常时中断在DebugBreak接口上

       既然异常捕获模块在软件发生异常时没有捕获到异常，那我们可以尝试将Windbg附加到进程上进行调试运行，看看Windbg动态调试时能否感知到异常。

根据多年来排查C++软件异常的经验，有些异常，异常捕获模块是捕获不到的，所以也就不会生成包含异常上下文的dump文件的。此时可以尝试直接用Visaul Studio调试Release版本的代码，或者是将Windbg附加到目标进程上，看看Windbg能否感知到异常。

将Windbg附加到进程上的方式，基本都能捕获到异常捕获模块捕获不到的异常。当然，这个还要看bug是否好复现。如果问题不是必现的，需要去研究问题复现的规律，尽量找到问题的复现办法。但有些问题是没有规律的，是很难复现的。

       加入会议后跑一小会，Windbg就感知到了，中断了下来。于是使用kn命令查看此时的函数函数调用堆栈，发现是DebugBreak接口触发Windbg中断下来的，如下所示：

DebugBreak接口是Windows系统API接口，目的是为了让当前的调试器中断下来，DebugBreak的调用者一般是为了提示软件发生了问题。

       其实，DebugBreak接口内部的实现类似下面的代码：

#ifdef _X86_
#define DebugBreak()    _asm  int 3 
#endif

内部类似一个INT 3软中断，目的是让调试器中断下来。

x86系列处理器从其第一代产品英特尔8086开始就提供了一条专门用来支持调试的指令，即INT 3。简单地说，这条指令的目的就是使CPU中断（break）到调试器，以供调试者对执行现场进行各种分析。当我们调试程序时，可以在可能有问题的地方插 入一条INT 3指令，使CPU执行到这一点时停下来。这便是软件调试中经常用到的断点（breakpoint）功能，因此INT 3指令又被称为断点指令。

3、根据Windbg中显示的函数调用堆栈，查看Webrtc库的开源代码，发现是malloc失败了 

       根据windbg中显示的函数调用堆栈，调用DebugBreak接口的代码位于webrtc开源库中。于是查看webrtc的开源代码，发现是执行malloc操作时失败了，webrtc框架中认为malloc失败是致命的问题，先是调用DebugBreak，然后紧接着调用abort将进程强制结束掉。这就对了，这就和软件的运行现象一致的。

       webrtc库中的相关代码如下所示：

上面调用malloc申请内存失败，返回NULL空指针，进入RTC_CHECK宏中：

       紧接着进入到rtc_FatalMessage函数中： 

 然后又进入FatalLog接口中：

最终在该接口中先是调用了DebugBreak接口，尝试让当前正在调试的调试器中断下来，然后紧接着调用abort接口将进程强行终止掉。 

4、malloc或new失败的可能原因分析

       那为啥会出现malloc或new操作失败的问题呢？之前我们总结过，一般new操作失败可能是有四种可能的原因。

1）申请的内存过大，进程中没有这么大内存可用了

       可能受一些异常数据的影响，申请了很大尺寸的内存。比如前段时间排查一个崩溃问题，当时因为数据有异常，一次性申请了9999*9999*4*2 = 762MB的堆内存，进程中没有这么大可用的堆内存了，所以申请失败了。

2）用户态的内存已经达到了上限，申请不到内存了       

       有可能是虚拟内存占用太多，也有可能代码中有内存泄露，导致用户态的虚拟内存被消耗完了。对于一个32程序，一个进程分配了4GB的虚拟地址空间，而用户态和内核态内存各占一半，即用户态的虚拟内存只有2GB，如果程序占用的虚拟内存比较大，比如接近2GB的用户虚拟内存了，再申请大的内存就会申请失败了。或者程序中有内存泄露，快要把用户态的2GB的虚拟内存给占用完了，再申请内存可能会申请失败的。

3）进程中的内存碎片过多    

       如果进程中在大量的new和delete，产生了大量的小块内存碎片，可用的内存被切割成一小块一小块的小内存块，如果要申请一块长度很长的内存，因为到处是内存碎片，没有这么一大块连续的可用内存，可能会导致内存申请失败的。

4）发生堆内存越界

       堆内存被破坏，导致new操作产生异常（此时new不会返回NULL，会抛出异常）。我们可以在出问题的地方，对该处的new添加一个保护（但不可能对代码中所有new的地方都加这样的保护），我们通过添加try...catch去捕获new抛出的异常，并将异常码打印出来，如下所示：（下面的代码在循环申请内存，直到内存申请失败为止，主要用来测试用）

​#include <iostream>
using namespace std;
 
int main()
    char *p;
    int i = 0;
    try
    
        do
            p = new char[10*1024*1024];
            i++;
            
            Sleep(5);
        
        while(p);
    
    catch(const std::exception& e)
    
        std::cout << e.what() << "\\n"
                    << "分配了" << i*10 << "M" << std::endl;
 
    
    
    return 0;   

       还有一种方式，在new时传如一个std::nothrow参数，让new在申请不到内存时不要抛出异常，直接返回为NULL，这样我们就可以通过返回的地址是否为NULL（空），判断是否是内存申请失败了，示例代码如下：

#include <iostream>
 
int main()
    char *p = NULL;
    int i = 0;
    do
        p = new(std::nothrow) char[10*1024*1024]; // 每次申请10MB
        i++;
        
        Sleep(5);
    
    while(p);
 
    if(NULL == p)
        std::cout << "分配了 " << (i-1)*10 << " M内存"         //分配了 1890 Mn内存第 1891 次内存分配失败           
                  << "第 " << i << " 次内存分配失败";
 
    
    return 0;

5、发生内存泄漏导致进程的用户态虚拟内存即将被用完，导致malloc失败

       对于本问题，我们初步怀疑，可能是第二种情况引起的，即用户态的内存已经用完了。我们程序是32位的，所以用户态的虚拟内存只有2GB，如果程序的虚拟内存已经接近或者达到2GB，再去malloc申请内存可能就会失败。于是再将windbg附加上去，入会后一会windbg就中断了下来，此时去查看我们软件进程占用的内存大小。正好Windbg中断时会将进程挂起，我们正好有机会使用工具其查看进程的虚拟内存占用情况。在崩溃的情况，都没有机会去查看进程占用的内存，程序直接闪退了。

       Windows任务管理器中是看不到进程总的虚拟内存占用的，只能看到其他类型的内存占用，必须要使用Process Explorer工具去查看。

       又轮到Process Explorer上场了，Process Explorer工具默认是不显示虚拟内存占用大小的，需要在列表栏中右键点击，在弹出的右键菜单中点击“Select Columns”菜单项，在打开的窗口中点击“Process Memory”标签页，在页面中勾选“Virtual Size”选项：

该选项就是进程的虚拟内存了。勾选后，在Process Explorer的主窗口的列表中就能看到虚拟内存列了：

查看到我们的进程确实快达到2GB了，所以出现malloc失败了。

       后来经webrtc开源组同事的确认，他们添加的代码中有内存泄漏，内存泄漏导致用户态的虚拟内存逐步被耗尽，导致接近2GB的情况，导致malloc内存失败的。

6、最后

       webrtc库在malloc申请内存失败后，先是调用了DebugBreak接口，然后是调用abort强制将进程终止了。所以在没挂windbg时就直接闪退了，是主动终止，不是异常崩溃，所以异常捕获模块CrashReport没有捕获到异常，没有生成相应的dump文件。