• WinDbg实战之-记某半导体CIM系统崩溃原因分析
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一:背景
1. 讲故事
前些天有一位朋友在公众号上找到我,说他们的WinForm程序部署在20多台机器上,只有两台机器上的程序会出现崩溃的情况,自己找了好久也没分析出来,让我帮忙看下怎么回事,就喜欢这些有点调试基础的,dump也不需要我指导怎么去抓,接下来我们就上windbg开始分析吧。

二:WinDbg分析
1. 为什么会崩溃
寻找崩溃的表象比较简单,使用 windbg 的 !analyze -v 命令即可。
0:000> !analyze -v
...
EXCEPTION_RECORD:  (.exr -1)
ExceptionAddress: 0000000000000000
   ExceptionCode: 80000003 (Break instruction exception)
  ExceptionFlags: 00000000
NumberParameters: 0
...
STACK_TEXT:  
0000003f`76f7ed58 00007ffa`f7c66d88     : 0000003f`00006120 00007ffa`f7bf98da 00000000`00000000 0000e4f5`bb3ba231 : user32!NtUserWaitMessage+0xa
0000003f`76f7ed60 00007ffa`f7bf9517     : 0000003f`00006120 0000003f`76f7ee80 00000000`00000000 00000000`00000000 : System_Windows_Forms_ni+0x2b6d88
0000003f`76f7ee10 00007ffa`f7bf8c2c     : 0000003f`0006ec30 0000003f`00000001 0000003f`000c88c0 00000000`00000000 : System_Windows_Forms_ni+0x249517
0000003f`76f7ef10 00007ffa`f7bf8a25     : 0000003f`00006120 00000000`ffffffff 0000003f`00054848 0000003f`76f7f300 : System_Windows_Forms_ni+0x248c2c
0000003f`76f7efa0 00007ffa`9b4a0a08     : 0000003f`00007970 00000000`ffffffff 0000003f`000c88c0 0000003f`770bda90 : System_Windows_Forms_ni+0x248a25
0000003f`76f7f000 00007ffa`fab13753     : 00000000`00000001 0000003f`76f7f530 00007ffa`fac6710d 00000000`00000001 : 0x00007ffa`9b4a0a08
0000003f`76f7f040 00007ffa`fab1361c     : 0000003f`00003330 00007ffa`f9acd94c 00000000`20000001 0000003f`00000000 : clr!CallDescrWorkerInternal+0x83
0000003f`76f7f080 00007ffa`fab144d3     : 00000000`00000000 00000000`00000004 0000003f`76f7f300 0000003f`76f7f3b8 : clr!CallDescrWorkerWithHandler+0x4e
0000003f`76f7f0c0 00007ffa`fac6f75a     : 0000003f`76f7f200 00000000`00000000 00000000`00000000 00000000`00000000 : clr!MethodDescCallSite::CallTargetWorker+0x2af
0000003f`76f7f250 00007ffa`fac6f596     : 00000000`00000000 00000000`00000001 0000003f`00000000 00000000`00000000 : clr!RunMain+0x1ba
0000003f`76f7f430 00007ffa`fac6f4d4     : 0000003f`770bda90 0000003f`000015b0 0000003f`770bda90 0000003f`77093490 : clr!Assembly::ExecuteMainMethod+0xba
0000003f`76f7f720 00007ffa`fac6ea02     : 0000003f`76f7fd88 0000003f`76de0000 00000000`00000000 00000000`00000000 : clr!SystemDomain::ExecuteMainMethod+0x6b9
0000003f`76f7fd60 00007ffa`fac6e9b2     : 0000003f`76de0000 0000003f`76f7fee0 00000000`00000000 00007ffb`03c420e8 : clr!ExecuteEXE+0x43
0000003f`76f7fdd0 00007ffa`fac6e8f4     : ffffffff`ffffffff 00000000`00000000 00000000`00000000 00000000`00000000 : clr!_CorExeMainInternal+0xb2
0000003f`76f7fe60 00007ffb`03be6cf5     : 00000000`00000000 00000000`00000091 00000000`00000000 0000003f`76f7fe48 : clr!CorExeMain+0x14
0000003f`76f7fea0 00007ffb`03c8ea5b     : 00000000`00000000 00007ffa`fac6e8e0 00000000`00000000 00000000`00000000 : mscoreei!CorExeMain+0xe0
0000003f`76f7fef0 00007ffb`0dc716ad     : 00007ffb`03be0000 00000000`00000000 00000000`00000000 00000000`00000000 : mscoree!_CorExeMain_Exported+0xcb
0000003f`76f7ff20 00007ffb`0f924629     : 00000000`00000000 00000000`00000000 00000000`00000000 00000000`00000000 : kernel32!BaseThreadInitThunk+0xd
0000003f`76f7ff50 00000000`00000000     : 00000000`00000000 00000000`00000000 00000000`00000000 00000000`00000000 : ntdll!RtlUserThreadStart+0x1d


STACK_COMMAND:  ~0s; .ecxr ; kb
...
从卦中看,真的吸了一口凉气,尼玛这dump没记录到 crash 信息,有些朋友说这个 int 3 不是吗?简单的说不是,它是一个软trap,抓dump的时候会有一个进程的冻结,这个冻结就是 int 3,所以你看dump中有这个异常 99% 都是正常的。

2. 异常哪里去了
按往常的套路,我都会推荐procdump这款工具让朋友再抓一下,在重抓之前先看看可还有其他线索,可以用 !t 看看托管线程上是否挂了异常。
0:000> !t
ThreadCount:      76
UnstartedThread:  0
BackgroundThread: 69
PendingThread:    0
DeadThread:       6
Hosted Runtime:   no
                                                                                                        Lock  
       ID OSID ThreadOBJ           State GC Mode     GC Alloc Context                  Domain           Count Apt Exception
   0    1 26c4 0000003f770bda90    26020 Preemptive  0000000000000000:0000000000000000 0000003f77093490 0     STA 
   ...
  74   77 c544 0000003f1a08c470    21220 Preemptive  0000000000000000:0000000000000000 0000003f77093490 0     Ukn System.ExecutionEngineException 0000003f000011f8
  75   78 18a88 0000003f1a329ae0  8029220 Preemptive  0000000000000000:0000000000000000 0000003f77093490 0     MTA (Threadpool Completion Port) 
从卦中可以看到有一个线程抛了 System.ExecutionEngineException 异常,这是一个灾难性的情况,表示 CLR 在执行自身代码的时候崩掉了,惊讶之余赶紧看看它的线程栈为什么会崩。
0:074> k
 # Child-SP          RetAddr               Call Site
00 0000003f`1bafea90 00007ffa`fb0283aa     clr!WKS::gc_heap::background_mark_simple+0x36
01 0000003f`1bafeac0 00007ffa`fb028701     clr!WKS::gc_heap::revisit_written_page+0x2fe
02 0000003f`1bafeb50 00007ffa`fb01ffec     clr!WKS::gc_heap::revisit_written_pages+0x251
03 0000003f`1bafec10 00007ffa`facefd01     clr!WKS::gc_heap::background_mark_phase+0x298
04 0000003f`1bafeca0 00007ffa`fb021fe5     clr!WKS::gc_heap::gc1+0xc0
05 0000003f`1bafed10 00007ffa`fab33e1e     clr!WKS::gc_heap::bgc_thread_function+0x169
06 0000003f`1bafed50 00007ffb`0dc716ad     clr!Thread::intermediateThreadProc+0x7d
07 0000003f`1baff810 00007ffb`0f924629     kernel32!BaseThreadInitThunk+0xd
08 0000003f`1baff840 00000000`00000000     ntdll!RtlUserThreadStart+0x1d

0:074> r
rax=000000001f808000 rbx=0000003f1bafe870 rcx=0000003efac80140
rdx=0000003f01000000 rsi=0000000000000000 rdi=0000003f1bafe380
rip=00007ffafb020c06 rsp=0000003f1bafea90 rbp=0000003f01c63270
 r8=0000000000000000  r9=0000003f01c64000 r10=0000003f04271000
r11=0000000000000001 r12=00007ffa9bca83c0 r13=0000003f01c632a8
r14=ffffffffffffffff r15=0000003f01c63000
iopl=0         nv up ei pl zr na po nc
cs=0033  ss=002b  ds=002b  es=002b  fs=0053  gs=002b             efl=00010244
clr!WKS::gc_heap::background_mark_simple+0x36:
00007ffa`fb020c06 41f70000000080  test    dword ptr [r8],80000000h ds:00000000`00000000=????????
从卦中信息看,当前是一个 bgc 线程,在后台标记对象的时候踩到了0区导致的崩溃,经验告诉我,是不是此时的托管堆损坏了? 可以用 !verifyheap 验证下。
0:000> !verifyheap 
No heap corruption detected.
从卦中信息看,当前托管堆并没有损坏,作为一个经常为sos输出坑过的人,现在我是不相信这个输出的,所以我要找一下这个 r8 对象到底是什么对象,接下来反汇编下 background_mark_simple 方法。
0:074> ub 00007ffa`fb020c06
clr!WKS::gc_heap::background_mark_simple+0x1a:
00007ffa`fb020bea 0941d3          or      dword ptr [rcx-2Dh],eax
00007ffa`fb020bed e048            loopne  clr!WKS::gc_heap::background_mark_simple+0x67 (00007ffa`fb020c37)
00007ffa`fb020bef 8b0dd3253c00    mov     ecx,dword ptr [clr!WKS::gc_heap::mark_array (00007ffa`fb3e31c8)]
00007ffa`fb020bf5 44850481        test    dword ptr [rcx+rax*4],r8d
00007ffa`fb020bf9 7548            jne     clr!WKS::gc_heap::background_mark_simple+0x73 (00007ffa`fb020c43)
00007ffa`fb020bfb 44090481        or      dword ptr [rcx+rax*4],r8d
00007ffa`fb020bff 4c8b02          mov     r8,qword ptr [rdx]
00007ffa`fb020c02 4983e0fe        and     r8,0FFFFFFFFFFFFFFFEh

0:074> r rdx
rdx=0000003f01000000

0:074> !lno rdx
Before:  0000003f00ffff38          512 (0x200) xxx.xxx
After:   0000003f01000138           32 (0x20) System.String
Heap local consistency confirmed.

0:074> ? 0000003f01000000 - 0000003f00ffff38
Evaluate expression: 200 = 00000000`000000c8


0:074> !do 0000003f00ffff38
Name:        xxx.xxx
MethodTable: 00007ffa9c0ac278
EEClass:     00007ffa9c095b20
Size:        512(0x200) bytes
Fields:
              MT    Field   Offset                 Type VT     Attr            Value Name
...
00007ffaf9d1da88  40012e6       c8        System.String  0 instance 0000000000000000 <OPPORTUNITY>k__BackingField
...
经过我上面的一顿分析,原来bgc标记的对象是 <OPPORTUNITY>k__BackingField 字段,同时也验证了确实托管堆没有损坏,接下来的问题是为什么BGC在mark这个字段的时候抛出来了异常呢?

3. 继续寻找真相
找不到突破口那就只能从线程栈上去挖,熟悉 bgc 后台标记的朋友应该知道,后台标记会分成三个阶段。
.初始标记阶段
.并发标记阶段
.最终标记阶段
截一张我在 .NET高级调试训练营 PPT里的图。

接下来的问题是这个程序目前处于哪一个阶段呢?根据线程栈上的 revisit_written_pages 方法,很显然是处于第二阶段,在第二阶段中为了能够识别对象修改的情况,CLR 使用了 Win32 的GetWriteWatch函数对内存页进行监控,监控到的脏内存页会在第三阶段做最后的清洗。

说了这么多,有没有源码支撑呢?这里我们简单看一下 coreclr 的源代码即可。
void gc_heap::revisit_written_pages(BOOL concurrent_p, BOOL reset_only_p)
{
    get_write_watch_for_gc_heap(reset_watch_state, base_address, region_size,
                             (void**)background_written_addresses,
                             &bcount, is_runtime_suspended);
}

// static
void gc_heap::get_write_watch_for_gc_heap(bool reset, void * base_address, size_t region_size,
                                          void * *dirty_pages, uintptr_t * dirty_page_count_ref,
                                          bool is_runtime_suspended)
{

    bool success = GCToOSInterface::GetWriteWatch(reset, base_address, region_size, dirty_pages,
    dirty_page_count_ref);
}

bool GCToOSInterface::GetWriteWatch(bool resetState, void * address, size_t size, void * *pageAddresses, uintptr_t * pageAddressesCount)
{
    uint32_t flags = resetState ? 1 : 0;
    ULONG granularity;

    bool success = ::GetWriteWatch(flags, address, size, pageAddresses, (ULONG_PTR*)pageAddressesCount, &granularity) == 0;
    if (success)
    {
        assert(granularity == OS_PAGE_SIZE);
    }

    return success;
}
给了这么多的代码,主要是想说 bgc的并发标记利用了 Windows 提供的功能,结合朋友说的只有两台机器会出现这种情况,到这里大概可以给出两种方案:更新Windows补丁,升级framework,大概率是两者的兼容性问题,导致内存页监控上出了问题。

修改配置文件禁用 bgc,这样就不会走这些逻辑,从根子上绕过这个问题。

三:总结
说实话在我的dump分析旅程中,这个dump的分析难度还是比较大的,它考验着你对bgc线程底层运作的理解,所幸的是我在调试训练营里用windbg让大家亲眼目睹了后台标记三阶段的详细过程,真是三生有幸!
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