记一次 .NET 某纺织工厂 MES系统 API 挂死分析

Posted 2021-10-19 dotNET跨平台

一：背景

1. 讲故事

这个月中旬，有位朋友加我wx求助他的程序线程占有率很高，寻求如何解决，截图如下：

说实话，和不同行业的程序员聊天还是蛮有意思的，广交朋友，也能扩大自己的圈子，朋友说他因为这个bug还导致项目黄了一个... 😂😂😂

哈哈，看样子是客户不买账，验收不了，害。。。早找到我，这客户不就捞回来啦，这也许就是技术的价值吧！😁😁😁

既然找到我，那就让这个挂死问题彻底消失吧，上windbg说话。

二：Windbg 分析

1. 查看线程情况

既然朋友说线程高，那就从线程入手，用 !t 命令即可。

0:000> !t
ThreadCount:      1006
UnstartedThread:  0
BackgroundThread: 1005
PendingThread:    0
DeadThread:       0
Hosted Runtime:   no
                                                                                                            Lock  
 DBG   ID     OSID ThreadOBJ           State GC Mode     GC Alloc Context                  Domain           Count Apt Exception
   0    1     10c8 00000000004D89A0    2a020 Preemptive  0000000000000000:0000000000000000 00000000002f1070 0     MTA 
   2    2     13c0 000000000031FF70    2b220 Preemptive  0000000000000000:0000000000000000 00000000002f1070 0     MTA (Finalizer) 
   3    3     12cc 000000000032B780  102a220 Preemptive  0000000000000000:0000000000000000 00000000002f1070 0     MTA (Threadpool Worker) 
   4    5     138c 000000000039E3C0  8029220 Preemptive  00000000B6D3CCA0:00000000B6D3D260 00000000002f1070 0     MTA (Threadpool Completion Port) 
   6    6     106c 0000000019E562A0  3029220 Preemptive  0000000000000000:0000000000000000 00000000002f1070 0     MTA (Threadpool Worker) 
   8   11      7f0 0000000019F8F9E0    20220 Preemptive  0000000000000000:0000000000000000 00000000002f1070 0     Ukn 
   9 1949     323c 000000009AA69E40  8029220 Preemptive  00000000B6BB8AD0:00000000B6BB94E0 00000000002f1070 0     MTA (Threadpool Completion Port) 
  10 1637      b3c 000000009AA1C260  8029220 Preemptive  00000000B6CD4220:00000000B6CD47E0 00000000002f1070 0     MTA (Threadpool Completion Port) 
  11 1947     223c 000000009ADB72E0  8029220 Preemptive  00000000B6D88D68:00000000B6D89550 00000000002f1070 0     MTA (Threadpool Completion Port) 
  12 1968     2e74 000000009AA1E330  8029220 Preemptive  00000000B6A8CD40:00000000B6A8D300 00000000002f1070 0     MTA (Threadpool Completion Port) 
...
 994  313     1fa4 000000009A81FFC0  8029220 Preemptive  00000000B6BFC1B8:00000000B6BFC410 00000000002f1070 0     MTA (Threadpool Completion Port) 
 995 1564     18ec 000000009A835510  8029220 Preemptive  00000000B6AC1ED0:00000000B6AC2490 00000000002f1070 0     MTA (Threadpool Completion Port) 
 996 1581      4ac 000000001C2E36E0  8029220 Preemptive  00000000B6C51500:00000000B6C51AC0 00000000002f1070 0     MTA (Threadpool Completion Port) 
 997  814     2acc 000000009A73B5E0  8029220 Preemptive  00000000B6D67BF8:00000000B6D683E0 00000000002f1070 0     MTA (Threadpool Completion Port) 
 998  517     25dc 000000009A838990  8029220 Preemptive  00000000B6D2CA10:00000000B6D2CFD0 00000000002f1070 0     MTA (Threadpool Completion Port) 
 999  670     2a10 000000001C2E4400  8029220 Preemptive  00000000B6CD0490:00000000B6CD0A50 00000000002f1070 0     MTA (Threadpool Completion Port) 
1000  183     1704 000000009A81F930  8029220 Preemptive  00000000B6AE8670:00000000B6AE8C30 00000000002f1070 0     MTA (Threadpool Completion Port) 
1001  117     1bcc 000000009A73BC70  8029220 Preemptive  00000000B6B92780:00000000B6B92D40 00000000002f1070 0     MTA (Threadpool Completion Port) 
1002 1855     1d68 000000009A81E580  8029220 Preemptive  00000000B6B28460:00000000B6B28A20 00000000002f1070 0     MTA (Threadpool Completion Port) 
1003 1070     2ef0 000000009A73C300  8029220 Preemptive  00000000B6B8F640:00000000B6B8FC00 00000000002f1070 0     MTA (Threadpool Completion Port) 
1004 1429     210c 000000001C2E4A90  8029220 Preemptive  00000000B6D5F488:00000000B6D5FC70 00000000002f1070 0     MTA (Threadpool Completion Port) 
1005 1252     2f38 000000009A838300  8029220 Preemptive  00000000B6A99240:00000000B6A99800 00000000002f1070 0     MTA (Threadpool Completion Port) 
1006 1317     3118 000000001C2E5120  8029220 Preemptive  00000000B6DA3A30:00000000B6DA4440 00000000002f1070 0     MTA (Threadpool Completion Port) 
1007 1837     3120 000000009A8375E0  8029220 Preemptive  00000000B6D38F10:00000000B6D394D0 00000000002f1070 0     MTA (Threadpool Completion Port) 
1009 1964     2f64 000000009A81DEF0  1029220 Preemptive  0000000000000000:0000000000000000 00000000002f1070 0     MTA (Threadpool Worker)

可以看到当前有 1006 个线程，其中 1000 个是 Threadpool Completion Port，这么多IO线程卡死也是第一次遇到，🐂👃。

说实话，看到 Threadpool Completion Port 我就想到这是一个异步操作的回调，那为什么会有这么多IO线程被卡死 ? 要想寻找答案，抽个线程看一下。

0:1000> ~1000s
ntdll!NtNotifyChangeDirectoryFile+0xa:
00000000`77c7a75a c3              ret
0:1000> !clrstack 
OS Thread Id: 0x1704 (1000)
        Child SP               IP Call Site
00000000A99FF4C0 0000000077c7a75a [InlinedCallFrame: 00000000a99ff4c0] Interop+Kernel32.ReadDirectoryChangesW(Microsoft.Win32.SafeHandles.SafeFileHandle, Byte[], Int32, Boolean, Int32, Int32 ByRef, System.Threading.NativeOverlapped*, IntPtr)
00000000A99FF4C0 000007fe8e87bd20 [InlinedCallFrame: 00000000a99ff4c0] Interop+Kernel32.ReadDirectoryChangesW(Microsoft.Win32.SafeHandles.SafeFileHandle, Byte[], Int32, Boolean, Int32, Int32 ByRef, System.Threading.NativeOverlapped*, IntPtr)
00000000A99FF470 000007fe8e87bd20 DomainBoundILStubClass.IL_STUB_PInvoke(Microsoft.Win32.SafeHandles.SafeFileHandle, Byte[], Int32, Boolean, Int32, Int32 ByRef, System.Threading.NativeOverlapped*, IntPtr)
00000000A99FF560 000007fef19dab6e System.IO.FileSystemWatcher.Monitor(AsyncReadState) [E:\\A\\_work\\322\\s\\corefx\\src\\System.IO.FileSystem.Watcher\\src\\System\\IO\\FileSystemWatcher.Win32.cs @ 141]
00000000A99FF5E0 000007fef19dae6c System.IO.FileSystemWatcher.ReadDirectoryChangesCallback(UInt32, UInt32, System.Threading.NativeOverlapped*) [E:\\A\\_work\\322\\s\\corefx\\src\\System.IO.FileSystem.Watcher\\src\\System\\IO\\FileSystemWatcher.Win32.cs @ 227]
00000000A99FF630 000007feedbe0af9 System.Threading.ExecutionContext.RunInternal(System.Threading.ExecutionContext, System.Threading.ContextCallback, System.Object) [E:\\A\\_work\\191\\s\\src\\mscorlib\\shared\\System\\Threading\\ExecutionContext.cs @ 167]
00000000A99FF6B0 000007feede094dc System.Threading._IOCompletionCallback.PerformIOCompletionCallback(UInt32, UInt32, System.Threading.NativeOverlapped*) [E:\\A\\_work\\191\\s\\src\\mscorlib\\src\\System\\Threading\\Overlapped.cs @ 108]
00000000A99FF7F0 000007feee359ed3 [GCFrame: 00000000a99ff7f0] 
00000000A99FF9D0 000007feee359ed3 [DebuggerU2MCatchHandlerFrame: 00000000a99ff9d0]

我去，又见 FileSystemWatcher ，追这个系列的朋友应该知道，我上个月分析了一篇 记一次 .NET 某流媒体独角兽 API 句柄泄漏分析文件句柄 爆高，他的形成原因是 定时刷新 appsetttings + reloadOnChange=true 所致，这世界真小，莫不会撞车了。。。接下来我们重点关注一下它。

2. 探究 FileSystemWatcher

要想进一步分析，先用 !dso 命令看一下当前的线程栈对象。

0:1000> !dso
OS Thread Id: 0x1704 (1000)
RSP/REG          Object           Name
00000000A99FF508 00000000263285d8 System.Byte[]
00000000A99FF518 00000000242aeb10 System.Threading._IOCompletionCallback
00000000A99FF560 00000000242ae1b0 Microsoft.Win32.SafeHandles.SafeFileHandle
00000000A99FF568 00000000242aeaa8 System.Threading.PreAllocatedOverlapped
00000000A99FF578 00000000242aeb10 System.Threading._IOCompletionCallback
00000000A99FF5E0 00000000242a8538 System.IO.FileSystemWatcher
00000000A99FF5E8 00000000242aea10 System.IO.FileSystemWatcher+AsyncReadState
00000000A99FF608 00000000242aea10 System.IO.FileSystemWatcher+AsyncReadState
00000000A99FF610 0000000023206e30 System.Threading.ExecutionContext
00000000A99FF618 0000000001032928 System.Threading.ContextCallback
00000000A99FF630 00000000242a8538 System.IO.FileSystemWatcher
00000000A99FF678 00000000b6a69a40 System.Threading.Thread
00000000A99FF688 00000000242aeb10 System.Threading._IOCompletionCallback
00000000A99FF690 0000000023206e30 System.Threading.ExecutionContext
00000000A99FF6C0 0000000021fa55d8 System.Threading._IOCompletionCallback
00000000A99FF6C8 000000002052e6e0 System.Threading.ExecutionContext
00000000A99FF7E0 000000000560d2b0 System.Threading.OverlappedData

由于线程栈上的对象是向小扩展的，所以看那个最小地址上的 System.Byte[] 内容就知道当前回调的是啥啦，截图如下：

经过上一役的分析经验，到这里我基本就搞清楚了，这又是一个不断构建 ConfigurationRoot 时配了 reloadOnChange: true  的经典案例，它的后果会导致内存中新增大量的 FileSystemWatcher 和 ConfigurationRoot 无法释放，而诱发点就是上图中的日志文件的不断变更导致的海量回调函数触发的卡死案例，具体详情... 请听我慢慢分解，先验证下这两个类在托管堆上的个数。

0:1000> !dumpheap -stat -type FileSystemWatcher
Statistics:
              MT    Count    TotalSize Class Name
000007fe8ed5bc90        2          160 System.Collections.Generic.Dictionary`2[[System.String, System.Private.CoreLib],[System.IO.FileSystemWatcher, System.IO.FileSystem.Watcher]]
000007fe8e9f11a0    34480      1930880 System.IO.FileSystemWatcher+AsyncReadState
000007fe8e9d69c8    34480      4137600 System.IO.FileSystemWatcher
Total 68962 objects

0:1000> !dumpheap -stat -type ConfigurationRoot
Statistics:
              MT    Count    TotalSize Class Name
000007fe8e9f1e70    34480       827520 Microsoft.Extensions.Configuration.ConfigurationRoot+<>c__DisplayClass2_0
000007fe8e999560    34480      1103360 Microsoft.Extensions.Configuration.ConfigurationRoot
Total 68960 objects

果不其然，托管堆有 3.4w 的 FileSystemWatcher 和 ConfigurationRoot，接下来就得和朋友沟通了。

3. 到底是什么代码引起的?

询问朋友为什么会有 3.4w 的 ConfigurationRoot 对象，理论上一个程序只会有一个，根据这些信息，朋友很快就找到了问题代码，截图如下：

就是因为上图中的 reloadOnChange: true 让底层构建了 FileSystemWatcher 对 appsettings.json 的实时监控，从而导致内存出现了 3.4w 的对象无法释放。

三：为什么日志变更会造成程序卡死

1. 当初的困惑

其实我当初分析到这里的时候也是很困惑的，就算内存中有 3.4w 的 FileSystemWatcher，那也只是对 appsettings.json 的监控，只要这个文件不变动就不会触发 3.4w 的回调，不是吗？可当我分析完 ConfigurationRoot 源码之后，我发现自己真tmd的天真。

2. 从源码中寻找答案

首先我们看看 FileSystemWatcher 到底监控的是啥？可以在它的构造函数中设一个断点，如下图所示：

很明显的看到，它 watch 的是程序根目录，这就能解释为什么日志文件有变更就会触发文件变更的回调函数，为了验证，我可以在 ReadDirectoryChangesCallback 方法中下一个断点，再丢一个日志文件到根目录，看是否能触发就知道了。。。截图如下：

回到本案例，也就是说一旦有日志变动，就会触发 3.4w 个回调函数，如果变动100次，就会触发 340w 次回调，而日志变更不停止，自然就会因为海量的回调把程序搞死。。。对吧。。。

四：总结

本次事故可能是由于朋友偷懒，没有将 Configuration 或 IOptions 注下去，而是采用重新构建 ConfigurationRoot 的方式获取 ConnectionString，并错误的配置 reloadOnChange: true， 导致IO线程无法及时处理由于日志文件的变更导致的海量回调函数，进而导致程序挂死。

知道整个来龙去脉之后，优化措施就很简单了，提供两种方法。

1. 将 reloadOnChange: true 改成 reloadOnChange: false 。

2. 想办法将 Configuration 注入到  DataBaseConfig 类中，做成静态变量也行 。😁😁😁

最后上一个彩蛋，朋友太客气了。

END

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