• WinDbg实战之-记某炉膛锅炉检测系统崩溃原因分析
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  • 梦清幽
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一:背景
1. 讲故事
上个月有个朋友在微信上找到我,说他们的软件在客户那边隔几天就要崩溃一次,一直都没有找到原因,让我帮忙看下怎么回事,确实工控类的软件环境复杂难搞,朋友手上有一个崩溃的dump,刚好丢给我来分析一下。

二:WinDbg分析
1. 程序为什么会崩溃
windbg 有一个厉害之处在于双击之后可以帮你自动定位到崩溃处,输出如下:
................................................................
................................................................
.......................................................
This dump file has an exception of interest stored in it.
The stored exception information can be accessed via .ecxr.
(1418.89c): Access violation - code c0000005 (first/second chance not available)
For analysis of this file, run !analyze -v
clr!WKS::gc_heap::background_mark_simple1+0x5a1:
000007fe`f5316d40 41f70300000080  test    dword ptr [r11],80000000h ds:00000000`00000000=????????
从卦中信息看,这不是一件好事情,崩溃居然落在bgc线程上,此时bgc线程正在做后台对象标记,依据过往经验有可能是托管堆损坏了,可以用 !verifyheap 命令来验证下。
0:038> !verifyheap 
Object 000000000476a0a8 has an invalid method table.
Last good object: 000000000476A058.

0:038> !lno 000000000476a0a8
Before:  000000000476a058           80 (0x50) System.Text.RegularExpressions.RegexWriter
After:   000000000476a0c0          152 (0x98) System.Int32[]

0:038> dp 000000000476a058
00000000`0476a058  000007fe`f0e47390 00000000`0476a0c0
00000000`0476a068  00000000`0476a1d0 00000000`0476a158
00000000`0476a078  00000000`0476a1a8 00000000`00000000
00000000`0476a088  0000001a`00000000 00000006`0000001a
00000000`0476a098  00000000`00000000 00000000`00000018
00000000`0476a0a8  00000000`00000000 00000000`00000000
00000000`0476a0b8  00000000`00000000 000007fe`f2ce9250
00000000`0476a0c8  00000000`00000020 00000004`00000000
从卦中看确实有一个对象处于有损状态,它的 mt=0 ,objheader=0x18,这个信息还是蛮奇怪的,接下来观察下内存地址的布局,找出有损地址空间,截图如下:

上面圈出来的地址段也不像是 C++ 故意改的,那到底是真破坏还是假破坏呢?因为这一点确实可以决定后续的分析方向。

2. 托管堆真假破坏之谜
熟悉 bgc 运转逻辑的朋友都知道会有三个阶段,分别为 初始标记,并发标记,最终标记,所以接下来的问题是当前这个程序处于什么阶段呢? 这个观察手段比较多,除了看bgc流程也可以 !t -special 看看 SuspendEE 标记。
0:038> !t -special
ThreadCount:      40
       ID OSID ThreadOBJ           State GC Mode     GC Alloc Context                  Domain           Count Apt Exception
   24   12 174c 000000001e71c210  1029220 Cooperative 0000000000000000:0000000000000000 000000000027ba40 2     MTA (GC) (Threadpool Worker) 
   ...
   38   13  89c 000000001e529130    21220 Preemptive  0000000000000000:0000000000000000 000000000027ba40 0     Ukn System.ExecutionEngineException 00000000022f1228

          OSID Special thread type
        24 174c SuspendEE ThreadpoolWorker 
从卦中可以清晰的看到24号线程触发了一个前台GC,同时38号的 bgc抛了执行引擎异常,这个灾难性的异常也是程序崩溃的原因,接下来观察下 24号正在做什么。
0:024> k 10
 # Child-SP          RetAddr               Call Site
00 00000000`205ebcf0 000007fe`f52fb444     clr!GcInfoDecoder::EnumerateLiveSlots+0x4df
01 00000000`205ec140 000007fe`f52fbd81     clr!EECodeManager::EnumGcRefs+0xc4
02 00000000`205ec2a0 000007fe`f5380aee     clr!GcStackCrawlCallBack+0x171
03 00000000`205ec3a0 000007fe`f52fbc28     clr!Thread::StackWalkFrames+0x172
04 00000000`205ed820 000007fe`f53141f0     clr!CNameSpace::GcScanRoots+0x144
05 00000000`205ed8c0 000007fe`f5310a8e     clr!WKS::gc_heap::relocate_phase+0x40
06 00000000`205ed930 000007fe`f5310fd0     clr!WKS::gc_heap::plan_phase+0xa01
07 00000000`205edb90 000007fe`f530df61     clr!WKS::gc_heap::gc1+0x9f
08 00000000`205edbe0 000007fe`f530dccd     clr!WKS::gc_heap::garbage_collect+0x222
09 00000000`205edc70 000007fe`f530e220     clr!WKS::GCHeap::GarbageCollectGeneration+0xdd
0a 00000000`205edcc0 000007fe`f516ae69     clr!WKS::GCHeap::Alloc+0x29d
0b 00000000`205edd10 000007fe`f2b2ab2a     clr!FramedAllocateString+0x139
...
从卦中可以清晰的看到此时的GC正在 relocate_phase 重定位阶段,重定位阶段通俗来说就是 兵马未动,粮草先行,这是一种非原子性的操作,简单来说bgc拿到的可能是移动后的新地址(粮草),但对象(兵马)还是在老地方,所以刚才看到的托管堆那块空间是初始化状态,同时对象头的 0x18 应该是一种中间状态的对象标记,这个暂时不去深挖了,但不管怎么说,此时的托管堆大概率是没有问题的。

既然托管堆没有问题,后面的研究方向就得深挖 bgc 的逻辑了。

3. bgc线程到底怎么了
要知道 bgc 到底怎么了,必须要观察它附近的汇编代码,可以用 ub 命令,输出如下:
0:024> r
Last set context:
rax=000000000001b83b rbx=0000000020e5e5b0 rcx=0000000000370707
rdx=00000000029b78a0 rsi=0000000000000000 rdi=0000000020e5e0c0
rip=000007fef5316d40 rsp=0000000020e5e680 rbp=000000001a30a2fc
 r8=0000000003707670  r9=000007fef2c94438 r10=00000000029b88b0
r11=0000000000000000 r12=0000000000000010 r13=000007fef2c94438
r14=0000000000291808 r15=0000000000001f60
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_simple1+0x5a1:
000007fe`f5316d40 41f70300000080  test    dword ptr [r11],80000000h ds:00000000`00000000=????????

0:024> ub 000007fe`f5316d40
clr!WKS::gc_heap::background_mark_simple1+0x584:
000007fe`f5316d23 48c1e809        shr     rax,9
000007fe`f5316d27 80e11f          and     cl,1Fh
000007fe`f5316d2a 41d3e3          shl     r11d,cl
000007fe`f5316d2d 44855c8500      test    dword ptr [rbp+rax*4],r11d
000007fe`f5316d32 7548            jne     clr!WKS::gc_heap::background_mark_simple1+0x5f3 (000007fe`f5316d7c)
000007fe`f5316d34 44095c8500      or      dword ptr [rbp+rax*4],r11d
000007fe`f5316d39 4d8b18          mov     r11,qword ptr [r8]
000007fe`f5316d3c 4983e3fe        and     r11,0FFFFFFFFFFFFFFFEh
从卦中数据来看,崩溃的原因是 r11=0 导致的,r11 的值又来自于 r8,这里有一个硬编码值 0FFFFFFFFFFFFFFFEh,这个值在代码中应该是 -2 或者是 ~1 这两种情况,接下来观察下  background_mark_simple1() 的方法源码,尼玛。。。还真给我找到了,简化后如下:
void gc_heap::background_mark_simple1(uint8_t * oo THREAD_NUMBER_DCL)
{
    ...
    uint8_t* start = oo;
    if ((size_t)oo & 1)
    {
        oo = (uint8_t*)((size_t)oo & ~1);
        start = *(--background_mark_stack_tos);
        dprintf(4, ("oo: %Ix, start: %Ix\n", (size_t)oo, (size_t)start));
    }
    ...
}
先简单解释下代码的意思, oo & ~1 是将 oo 对象的 gcmark标记 给去掉,后面的 background_mark_stack_tos 就是深度优先遍历过程中使用的栈结构,再结合汇编代码,我们知道 r8 其实就是 oo,那这个 oo 到底是独立存在还是归属于谁呢?

4. oo 到底是何方神圣
要想知道这个答案,可以用 !lno 命令观察下 r8 附近内存来寻找蛛丝马迹,输出如下:
0:024> r r8
Last set context:
r8=0000000003707670

0:024> !lno 0000000003707670
Before:  0000000003707658           80 (0x50) xxx.ComponentData
After:   00000000037076a8         1416 (0x588) Free
Heap local consistency confirmed.

0:024> ? 0000000003707670 - 0000000003707658
Evaluate expression: 24 = 00000000`00000018

0:024> !DumpObj /d 0000000003707658
Name:        xxx.ComponentData
MethodTable: 000007fe95c0b058
EEClass:     000007fe95c2bbb0
Size:        80(0x50) bytes
File:        C:\xxxDriver.dll
Fields:
              MT    Field   Offset                 Type VT     Attr            Value Name
000007fef2cecf58  400008c       38      System.DateTime  1 instance 0000000003707690 wWfscFiguq
000007fef2cffc90  400008d       18        System.Double  1 instance 0.000000         I9ss25rNyt
000007fe95c0a888  400008e       20         System.Int32  1 instance                9 AxCs5sGCxm
000007fe95c0af00  400008f       24         System.Int32  1 instance                9 fK9sgqZ2qY
...
这个卦看起来就非常奇怪,无语了。。。我苦苦寻找的 oo 对象居然是一个 int 类型的 fK9sgqZ2qY 字段,这不是乱套了吗?int 类型在这里也没有装箱,怎么可能会提取出 mt 呢?真的是莫名奇怪。

5. int 为什么当 引用类型 了
线索到了这里越来越不可思议了,基本就可以断定这是 BGC 标记的错乱,直白的说就是 BGC 出现了 bug,再看下当前的操作系统和framework的版本,依次是 windows7 和 4.0 。
0:024> vertarget
Windows 7 Version 7601 (Service Pack 1) MP (4 procs) Free x64
Product: WinNt, suite: SingleUserTS
Edition build lab: kernel32.dll version: 6.1.7601.17514 (win7sp1_rtm.101119-1850)

0:024> !eeversion
4.0.30319.18408 free
Workstation mode
In plan phase of garbage collection
SOS Version: 4.0.30319.18408 retail build
综合来说是 bgc 在老环境下做后台标记的时候出现了 bug,这种 bug 非我能力之所及,但我能做的就是把它切除掉,即把 bgc 模式给关掉,不走这个逻辑不就行了吗?参考如下:
<configuration>
   <runtime>
      <gcConcurrent enabled="false"/>
   </runtime>
</configuration>
三:总结
很多时候分析下来发现是CLR内部的bug所致,这种真的很无奈,我能做的也只能是手术切除。
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