windbg的时间旅行实现对 C# 程序的终极调试

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简而言之就是把程序的执行流拍成vlog,这样就可以对 vlog 快进或者倒退,还可以分享给别人做进一步的分析,是不是想都不敢想。


一:什么是时间旅行

简而言之就是把程序的执行流拍成vlog,这样就可以对 vlog 快进或者倒退,还可以分享给别人做进一步的分析,是不是想都不敢想。

很开心的是 windbg preview 版本中已经实现了,叫做 时间旅行调试 TTD,相比传统的 静态分析 不知道好多少倍。

windbg的时间旅行实现对 C# 程序的终极调试

为了能提起大家兴趣,我就举二个例子吧。

二:二个有趣的例子

1. 查看程序都触发了第几代垃圾回收

为了方便说明,我就用诱导GC手工触发,然后再观察都触发了哪一代的 GC ,参考代码如下:

         static void Main(string[] args)         {             List<string> list = new List<string>();              //1. 第一次触发GC             GC.Collect();              Console.WriteLine("触发full gc");              //2. 第二次触发GC             GC.Collect(0);              Console.WriteLine("触发 0 代 gc");              //3.第二次触发GC             GC.Collect(1);              Console.WriteLine("触发 1 代 gc");         }  

接下来用 windbg 的 launch executeable (advanced) 来附加程序,勾选 Record,然后在弹框中将 vlog 保存到指定目录,最后点击 Record 就可以啦!

windbg的时间旅行实现对 C# 程序的终极调试

运行完后,windbg 会自动加载我的 D:testConsoleApp104.run 的 vlog 文件,因为 gc 触发的底层函数是coreclr!WKS::GCHeap::GarbageCollectGeneration ,所以我们用 bp 给它下一个断点,运行多次 g 命令。

 0:000> bp coreclr!WKS::GCHeap::GarbageCollectGeneration Bp expression 'coreclr!WKS::GCHeap::GarbageCollectGeneration' could not be resolved, adding deferred bp 0:000> g Time Travel Position: 3079F:63E eax=00000001 ebx=00000002 ecx=00000002 edx=00000008 esi=00000002 edi=00000002 eip=02fc4256 esp=0057f204 ebp=0057f214 iopl=0         nv up ei pl nz na po nc cs=0023  ss=002b  ds=002b  es=002b  fs=0053  gs=002b             efl=00000202 coreclr!WKS::GCHeap::GarbageCollectGeneration: 02fc4256 55              push    ebp 0:000> g Time Travel Position: 34661:AF eax=00000001 ebx=00000002 ecx=00000000 edx=00000008 esi=00000000 edi=00000002 eip=02fc4256 esp=0057f1f8 ebp=0057f208 iopl=0         nv up ei pl nz na po nc cs=0023  ss=002b  ds=002b  es=002b  fs=0053  gs=002b             efl=00000202 coreclr!WKS::GCHeap::GarbageCollectGeneration: 02fc4256 55              push    ebp 0:000> g Breakpoint 0 hit Time Travel Position: 346A5:2CD eax=00000001 ebx=00000002 ecx=00000001 edx=00000008 esi=00000001 edi=00000002 eip=02fc4256 esp=0057f1f8 ebp=0057f208 iopl=0         nv up ei pl nz na po nc cs=0023  ss=002b  ds=002b  es=002b  fs=0053  gs=002b             efl=00000202 coreclr!WKS::GCHeap::GarbageCollectGeneration: 02fc4256 55              push    ebp  

从输出中可以很清楚的看到,命中了三次 GarbageCollectGeneration 回收,而且从上面的 ecx 寄存器看依次是 2,0,1,对应着 gc 的2代回收,0代回收, 1代回收, 这比只有一个静态的 dump 是不是有优势的多,要知道我这里的 ConsoleApp101.run 文件是可以分发给别人分析的哦。

2. 查看新生成的线程曾今都执行了什么代码

这个例子源自朋友遇到的一个问题,他的程序跑着跑着,发现 ThreadPool 中有400多待命的工作线程,线程栈大概如下:

 0:011> k  # ChildEBP RetAddr       00 0564fc6c 7531f0ca     ntdll!NtRemoveIoCompletion+0xc 01 0564fc6c 78480b69     KERNELBASE!GetQueuedCompletionStatus+0x2a 02 0564fcb8 7847d92b     coreclr!CLRLifoSemaphore::WaitForSignal+0x29 [d:a_work1ssrcvmsynch.cpp @ 654]  03 0564fd08 7847cf04     coreclr!CLRLifoSemaphore::Wait+0x13b [d:a_work1ssrcvmsynch.cpp @ 897]  04 0564fdd4 783f2910     coreclr!ThreadpoolMgr::WorkerThreadStart+0x234 [d:a_work1ssrcvmwin32threadpool.cpp @ 2121]  05 0564ff70 7703fa29     coreclr!Thread::intermediateThreadProc+0x50 [d:a_work1ssrcvmthreads.cpp @ 2110]  06 0564ff80 772175f4     KERNEL32!BaseThreadInitThunk+0x19 07 0564ffdc 772175c4     ntdll!__RtlUserThreadStart+0x2f 08 0564ffec 00000000     ntdll!_RtlUserThreadStart+0x1b  

因为给我的是 静态dump,所以我无法寻找 11号线程 曾今执行了什么托管代码,因为时间不能倒流,但现在有了 TTD,真的可以让时间倒流啦。。。太有意思了,哈哈,既然能倒流,那就一定有办法找到破绽。

为了方便讲解,写一个简单例子。

         static void Main(string[] args)         {             Task.Factory.StartNew(() =>             {                 Console.WriteLine("我是 task 线程");             });              Console.ReadLine();         }  

接下来我们一起探究下最后生成的 Thread WorkThread 曾今都执行了什么? 深挖思路大概是这样的。

先将进度条拉到底,然后用 !bpmd System_Private_CoreLib System.Threading.Tasks.Task.InnerInvoke 下一个断点,最后将时间倒流,看谁命中了这个 task。

 0:000> g TTD: End of trace reached. (4f20.4d0c): Break instruction exception - code 80000003 (first/second chance not available) Time Travel Position: 36F51:0 eax=00070053 ebx=00000000 ecx=8a60f857 edx=77237170 esi=7845e6c0 edi=00000000 eip=771a7000 esp=0602fe90 ebp=0602ff70 iopl=0         nv up ei pl zr na pe nc cs=0023  ss=002b  ds=002b  es=002b  fs=0053  gs=002b             efl=00000246 771a7000 ea09701a773300  jmp     0033:771A7009  0:009> !bpmd System_Private_CoreLib System.Threading.Tasks.Task.InnerInvoke MethodDesc = 06A29704 Setting breakpoint: bp 05A915C7 [System.Threading.Tasks.Task.InnerInvoke()] Adding pending breakpoints...  0:009> g- Breakpoint 1 hit Time Travel Position: 32DF4:AC eax=05a915c0 ebx=00000000 ecx=0349a864 edx=0349a864 esi=0349a864 edi=0349a7c8 eip=05a915c7 esp=066afa14 ebp=066afa1c iopl=0         nv up ei pl zr na pe nc cs=0023  ss=002b  ds=002b  es=002b  fs=0053  gs=002b             efl=00000246 System_Private_CoreLib!System.Threading.Tasks.Task.InnerInvoke()$##6002185+0x7: 05a915c7 8b7e04          mov     edi,dword ptr [esi+4] ds:002b:0349a868=0349a800  0:008> !clrstack  OS Thread Id: 0x44a8 (8) Child SP       IP Call Site 066AFA14 05a915c7 System.Threading.Tasks.Task.InnerInvoke() [/_/src/System.Private.CoreLib/shared/System/Threading/Tasks/Task.cs @ 2437] 066AFA24 05a915bb System.Threading.Tasks.Task+c.<.cctor>b__274_0(System.Object) [/_/src/System.Private.CoreLib/shared/System/Threading/Tasks/Task.cs @ 2427] 066AFA2C 05a91567 System.Threading.ExecutionContext.RunFromThreadPoolDispatchLoop(System.Threading.Thread, System.Threading.ExecutionContext, System.Threading.ContextCallback, System.Object) [/_/src/System.Private.CoreLib/shared/System/Threading/ExecutionContext.cs @ 289] 066AFA5C 05a912d1 System.Threading.Tasks.Task.ExecuteWithThreadLocal(System.Threading.Tasks.Task ByRef, System.Threading.Thread) [/_/src/System.Private.CoreLib/shared/System/Threading/Tasks/Task.cs @ 2389] 066AFABC 05a911d7  066AFACC 05a9118b System.Threading.Tasks.Task.ExecuteFromThreadPool(System.Threading.Thread) [/_/src/System.Private.CoreLib/shared/System/Threading/Tasks/Task.cs @ 2312] 066AFAD0 05a90e58 System.Threading.ThreadPoolWorkQueue.Dispatch() [/_/src/System.Private.CoreLib/shared/System/Threading/ThreadPool.cs @ 663] 066AFB1C 05a90c6f  066AFD10 784fa0ef [DebuggerU2MCatchHandlerFrame: 066afd10]   

熟悉 Task 的朋友应该知道: System.Threading.Tasks.Task.InnerInvoke 的下一步就是执行我的回调函数,而此时 回调函数 还没有被 JIT 编译,这时候我们可以在 bp clrjit!CILJit::compileMethod 中去拦截 JIT 对此方法的编译,然后从 compileMethod 中提取 mt

 0:008> bp clrjit!CILJit::compileMethod 0:008> g Breakpoint 1 hit Time Travel Position: 32E36:C18 eax=7933ad50 ebx=066af5c8 ecx=792c8770 edx=066af5c8 esi=7932d164 edi=00cbbf90 eip=792c8770 esp=066af3ec ebp=066af44c iopl=0         nv up ei pl zr na pe nc cs=0023  ss=002b  ds=002b  es=002b  fs=0053  gs=002b             efl=00000246 clrjit!CILJit::compileMethod: 792c8770 55              push    ebp  0:008> kb  # ChildEBP RetAddr      Args to Child               00 066af44c 78428db2     7933ad50 066af5c8 066af4f0 clrjit!CILJit::compileMethod [d:a_work1ssrcjitee_il_dll.cpp @ 294]  ...  0:008> dp 066af4f0 L1 066af4f0  06a2ae04  0:008> !dumpmd 06a2ae04 Method Name:          ConsoleApp1.dll!Unknown Class:                032fa0dc MethodTable:          06a2ae14 mdToken:              06000005 Module:               02c5d7d0 IsJitted:             no Current CodeAddr:     ffffffff Version History:   ILCodeVersion:      00000000   ReJIT ID:           0   IL Addr:            00000000      CodeAddr:           00000000  (MinOptJitted)      NativeCodeVersion:  00000000  

很奇怪的是提取的 md 目前还不能显示完全名字,不过没关系,我们继续 g ,然后再重复执行一下命令。

 0:009> g TTD: End of trace reached. (4f20.4d0c): Break instruction exception - code 80000003 (first/second chance not available) Time Travel Position: 36F51:0 eax=00070053 ebx=00000000 ecx=8a60f857 edx=77237170 esi=7845e6c0 edi=00000000 eip=771a7000 esp=0602fe90 ebp=0602ff70 iopl=0         nv up ei pl zr na pe nc cs=0023  ss=002b  ds=002b  es=002b  fs=0053  gs=002b             efl=00000246 771a7000 ea09701a773300  jmp     0033:771A7009 0:009> !dumpmd 06a2ae04 Method Name:          ConsoleApp1.Program+<>c.<Main>b__0_0() Class:                032fa0dc MethodTable:          06a2ae14 mdToken:              06000005 Module:               02c5d7d0 IsJitted:             yes Current CodeAddr:     06133300 Version History:   ILCodeVersion:      00000000   ReJIT ID:           0   IL Addr:            00000000      CodeAddr:           06133300  (MinOptJitted)      NativeCodeVersion:  00000000  

当时间线结束的时候,我们终于看到了,原来 Task 执行的是 ConsoleApp1.Program+<>c.<Main>b__0_0() 方法,那这个方法逻辑是什么呢? 可以用 ILSpy 查看。

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总的来说,要复现还是挺考验基本功的。

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