TTD 专题 (第一篇)：C# 那些短命线程都在干什么？

一：背景

1.讲故事

在分析的众多dump中，经常会遇到各种奇葩的问题，仅通过dump这种快照形式还是有很多问题搞不定，而通过 perfview 这种粒度又太粗，很难找到问题之所在，真的很头疼，比如本篇的 短命线程 问题，参考图如下：

我们在 t2 时刻抓取的dump对查看 短命线程 毫无帮助，我根本就不知道这个线程生前执行了什么代码，为什么这么短命，还就因为这样的短命让 线程池 的线程暴增。
为了能尽最大努力解决此类问题，武器库中还得再充实一下，比如本系列要聊的 Time Travel Debug，即时间旅行调试。
二： Time Travel Debug

1. 什么是 时间旅行调试

如果说 dump 是程序的一张照片，那 TTD 就是程序的一个短视频，很显然短视频的信息量远大于一张照片，因为视频记录着疑难杂症的前因后果，参考价值巨大，简直就是银弹般的存在。
三：案例演示

1. 参考代码

这是我曾经遇到的一个真实案例，在没有 TTD 的协助下最终也艰难的找到了问题，但如果有 TTD 的协助简直就可以秒杀，为了方便说明，先上一个测试代码。

1.     internal class Program
2.     {
3.         static void Main(string[] args)
4.         {
5.             for (int i = 0; i < 200; i++)
6.             {
7.                 Task.Run(() =>
8.                 {
9.                     Test();
10.                 });
11.             }
13.             Console.ReadLine();
14.         }
15.         public static int index = 1;
17.         static void Test()
18.         {
19.             Thread.Sleep(1000);
21.             var i = 10;
22.             var j = 20;
24.             var sum = i + j;
26.             Console.WriteLine($"i={index++},sum={sum}");
27.         }
28.     }

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程序跑完之后，我们抓一个dump文件，输出如下。

1. 0:000> !t
2. ThreadCount:      20
3. UnstartedThread:  0
4. BackgroundThread: 7
5. PendingThread:    0
6. DeadThread:       13
7. Hosted Runtime:   no
8.                                                                              Lock  
9. DBG   ID     OSID ThreadOBJ    State GC Mode     GC Alloc Context  Domain   Count Apt Exception
10.    0    1     12f8 00C4AF20  80030220 Preemptive  03C3FFAC:03C40000 00c462f8 -00001 Ukn
11.    6    2     6a70 00C5BBD8     2b220 Preemptive  03C521B8:03C53FE8 00c462f8 -00001 MTA (Finalizer)
12. XXXX    4        0 00C9FEB0   1039820 Preemptive  00000000:00000000 00c462f8 -00001 Ukn (Threadpool Worker)
13.    7    5     6694 00CA0990   302b220 Preemptive  03C40314:03C41FE8 00c462f8 -00001 MTA (Threadpool Worker)
14. XXXX    6        0 00CB53B8   1039820 Preemptive  00000000:00000000 00c462f8 -00001 Ukn (Threadpool Worker)
15. XXXX    7        0 00CB5958   1039820 Preemptive  00000000:00000000 00c462f8 -00001 Ukn (Threadpool Worker)
16. XXXX    8        0 00CB4338   1039820 Preemptive  00000000:00000000 00c462f8 -00001 Ukn (Threadpool Worker)
17. XXXX    9        0 00CB4C58   1039820 Preemptive  00000000:00000000 00c462f8 -00001 Ukn (Threadpool Worker)
18. XXXX   10        0 08879278   1039820 Preemptive  00000000:00000000 00c462f8 -00001 Ukn (Threadpool Worker)
19.    8   11     5d10 08879E90   102b220 Preemptive  03C2AC2C:03C2BFE8 00c462f8 -00001 MTA (Threadpool Worker)
20. XXXX   12        0 0887D1F8   1039820 Preemptive  00000000:00000000 00c462f8 -00001 Ukn (Threadpool Worker)
21. XXXX   13        0 0887C0D8   1039820 Preemptive  00000000:00000000 00c462f8 -00001 Ukn (Threadpool Worker)
22. XXXX   14        0 0887AB70   1039820 Preemptive  00000000:00000000 00c462f8 -00001 Ukn (Threadpool Worker)
23. XXXX   15        0 0887B400   1039820 Preemptive  00000000:00000000 00c462f8 -00001 Ukn (Threadpool Worker)
24. XXXX   16        0 0887D640   1039820 Preemptive  00000000:00000000 00c462f8 -00001 Ukn (Threadpool Worker)
25. XXXX   17        0 0887A728   1039820 Preemptive  00000000:00000000 00c462f8 -00001 Ukn (Threadpool Worker)
26.    9   18     5658 0887C520   102b220 Preemptive  03C46684:03C47FE8 00c462f8 -00001 MTA (Threadpool Worker)
27.   10   19      564 0887C968   102b220 Preemptive  03C4A664:03C4BFE8 00c462f8 -00001 MTA (Threadpool Worker)
28. XXXX   20        0 0887AFB8   1039820 Preemptive  00000000:00000000 00c462f8 -00001 Ukn (Threadpool Worker)
29.   11    3     547c 0887A2E0     2b220 Preemptive  03C50008:03C51FE8 00c462f8 -00001 MTA

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2. 为什么会有很多短命线程

从 windbg 的输出看有很多的 XXX，那原因是什么呢？ 还得先观察下代码，可以看到代码会给 ThreadPool 分发 100 次任务，每个任务也就 1s 的运行时间，这样的代码会造成 ThreadPool 的工作线程处理不及继而会产生更多的工作线程，在某一时刻那些 Sleep 后的线程又会规模性唤醒，ThreadPool 为了能够平衡工作者线程，就会灭掉很多的线程，造成 ThreadPool 中的暴涨暴跌现象。
因果关系是搞清楚了，但对于落地是没有任何帮助的，比如线程列表倒数第二行已死掉的线程：

1. XXXX   20        0 0887AFB8   1039820 Preemptive  00000000:00000000 00c462f8 -00001 Ukn (Threadpool Worker)

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你是没法让它起死回生的，对吧？这时候就必须借助 TTD 录制一个小视频。
3. TTD 录制

录制非常简单，选择 Lauch executable (advanced) 项再勾选 Record 即可，截图如下：

等程序执行完了或者你觉得时机合适再点击 Stop and Debug 停止录制，截图如下：

稍等片刻，你会得到如下三个文件。

• ConsoleApp101.run  录制文件
  
• ConsoleApp101.idx  录制的索引文件
  
• ConsoleApp101.out  日志文件
  

4. 分析思路

• 找到 tid=20 的 OSID 线程ID
  

因为此时的 tid=20 的 OSID 已经不存在了，所以用 !tt 在时间刻度上折半查找 OSID 存在的 position。

1. 0:007> !tt 94
2. Setting position to 94% into the trace
3. Setting position: 396DB:0
4. (5ac8.20): Break instruction exception - code 80000003 (first/second chance not available)
5. Time Travel Position: 396DB:0
6. eax=00be602c ebx=00c7c2b0 ecx=00be6028 edx=0024e000 esi=00be6028 edi=00000000
7. eip=77d8e925 esp=07acf1c8 ebp=07acf1c8 iopl=0         nv up ei pl nz na po nc
8. cs=0023  ss=002b  ds=002b  es=002b  fs=0053  gs=002b             efl=00000202
9. ntdll!RtlEnterCriticalSection+0x15:
10. 77d8e925 f00fba3000      lock btr dword ptr [eax],0   ds:002b:00be602c=ffffffff
11. 0:007> !t
12. ThreadCount:      20
13. UnstartedThread:  0
14. BackgroundThread: 19
15. PendingThread:    0
16. DeadThread:       0
17. Hosted Runtime:   no
18.                                                                          Lock  
19. DBG   ID     OSID ThreadOBJ    State GC Mode     GC Alloc Context  Domain   Count Apt Exception
20.   ...
21.   24   20     145c 0887AFB8   302b220 Preemptive  03C4C1A4:03C4DFE8 00c462f8 -00001 MTA (Threadpool Worker)

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可以清楚的看到原来是 OSID =145c 及WindbgID=24 有了这个信息不代表此时它正在执行托管方法，所以我们还需要找到这个 145c 是何时出生的？

• 找到当前视频中所有的 ThreadCreated 事件。
  

可以在 Events 输出信息中检索 id=0x145c 的线程出生信息。

1. 0:024> dx -r2 @$curprocess.TTD.Events.Where(t => t.Type == "ThreadCreated").Select(t => t.Thread).Where(t=>t.Id==0x145c).Select(t=>t)
2. @$curprocess.TTD.Events.Where(t => t.Type == "ThreadCreated").Select(t => t.Thread).Where(t=>t.Id==0x145c).Select(t=>t)               
3.     [0x0]            : UID: 27, TID: 0x145C
4.         UniqueId         : 0x1b
5.         Id               : 0x145c
6.         Lifetime         : [38B21:0, 3BB45:0]
7.         ActiveTime       : [38B6A:0, 3BB45:0]
8.         GatherMemoryUse  [Gather inputs, outputs and memory used by a range of execution within a thread]

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从输出中可以看到, Lifetime 表示这个线程的一生, ActiveTime 则是从线程的Start处开始的，画个图如下：

接下来将进度条调到 !tt 38B21:0 处，那如何看代码进入到托管方法中呢？这个就得各显神通，我知道的有这么几种。

• 使用单步调试
  

先用 !tt 调整大致范围，然后用 p,pc,pt,t,tc,tt 微调，比如我们这篇的 !tt 94 就能获取到 tid=20 号线程的托管部分。

1. 0:024> !tt 94
2. Setting position to 94% into the trace
3. Setting position: 396DB:0
4. (5ac8.20): Break instruction exception - code 80000003 (first/second chance not available)
5. Time Travel Position: 396DB:0
6. eax=00be602c ebx=00c7c2b0 ecx=00be6028 edx=0024e000 esi=00be6028 edi=00000000
7. eip=77d8e925 esp=07acf1c8 ebp=07acf1c8 iopl=0         nv up ei pl nz na po nc
8. cs=0023  ss=002b  ds=002b  es=002b  fs=0053  gs=002b             efl=00000202
9. ntdll!RtlEnterCriticalSection+0x15:
10. 77d8e925 f00fba3000      lock btr dword ptr [eax],0   ds:002b:00be602c=ffffffff
11. 0:007> ~24s
12. eax=00000000 ebx=0b1bfab8 ecx=00000000 edx=00000000 esi=00000001 edi=0b1bfab8
13. eip=77dc196c esp=0b1bfa78 ebp=0b1bfadc iopl=0         nv up ei pl nz na pe nc
14. cs=0023  ss=002b  ds=002b  es=002b  fs=0053  gs=002b             efl=00000206
15. ntdll!NtDelayExecution+0xc:
16. 77dc196c c20800          ret     8
17. 0:024> !clrstack
18. OS Thread Id: 0x145c (24)
19. Child SP       IP Call Site
20. 0B1BFB50 77dc196c [HelperMethodFrame: 0b1bfb50] System.Threading.Thread.SleepInternal(Int32)
21. 0B1BFBBC 07b90694
22. 0B1BFBD0 03b99078 ConsoleApp1.Program.Test()
23. 0B1BFC04 03b98a03 ConsoleApp1.Program+c.b__0_0()
24. 0B1BFC10 07b9065d System.Threading.Tasks.Task.InnerInvoke() [/_/src/libraries/System.Private.CoreLib/src/System/Threading/Tasks/Task.cs @ 2387]
25. 0B1BFC1C 07b900cd System.Threading.Tasks.Task+c.<.cctor>b__272_0(System.Object) [/_/src/libraries/System.Private.CoreLib/src/System/Threading/Tasks/Task.cs @ 2375]
26. 0B1BFC24 07b90047 System.Threading.ExecutionContext.RunFromThreadPoolDispatchLoop(System.Threading.Thread, System.Threading.ExecutionContext, System.Threading.ContextCallback, System.Object) [/_/src/libraries/System.Private.CoreLib/src/System/Threading/ExecutionContext.cs @ 268]
27. 0B1BFC54 07b907d2 System.Threading.Tasks.Task.ExecuteWithThreadLocal(System.Threading.Tasks.Task ByRef, System.Threading.Thread) [/_/src/libraries/System.Private.CoreLib/src/System/Threading/Tasks/Task.cs @ 2337]
28. 0B1BFCB8 03b9ff34 System.Threading.Tasks.Task.ExecuteEntryUnsafe(System.Threading.Thread) [/_/src/libraries/System.Private.CoreLib/src/System/Threading/Tasks/Task.cs @ 2277]
29. 0B1BFCC8 070f7a36 System.Threading.ThreadPoolWorkQueue.Dispatch()
30. 0B1BFD24 070ff222 System.Threading.PortableThreadPool+WorkerThread.WorkerThreadStart() [/_/src/libraries/System.Private.CoreLib/src/System/Threading/PortableThreadPool.WorkerThread.cs @ 63]
31. 0B1BFDB0 070e6545 System.Threading.Thread.StartCallback() [/_/src/coreclr/System.Private.CoreLib/src/System/Threading/Thread.CoreCLR.cs @ 105]
32. 0B1BFF04 0307b9cf [DebuggerU2MCatchHandlerFrame: 0b1bff04]

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• 对 compileMethod 方法下断点
  

C# 的一个特性就是很多方法都是由 JIT 动态编译的，因为很多方法都是未编译，所以遇到编译事件的时候执行流很大概率就在托管层。

1. 0:024> bp clrjit!CILJit::compileMethod
2. 0:024> g
3. Breakpoint 0 hit
4. Time Travel Position: 3939B:12E9
5. eax=07acf8c8 ebx=07acf9d4 ecx=503d34b0 edx=00000000 esi=502bca30 edi=503d34b0
6. eip=502bca30 esp=07acf784 ebp=07acf9c8 iopl=0         nv up ei ng nz na po nc
7. cs=0023  ss=002b  ds=002b  es=002b  fs=0053  gs=002b             efl=00000282
8. clrjit!CILJit::compileMethod:
9. 502bca30 55              push    ebp

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