windbg的時間旅行實現對 C# 程式的終極除錯

一線碼農發表於2022-05-13
C#除錯

一：什麼是時間旅行

簡而言之就是把程式的執行流拍成vlog，這樣就可以對 vlog 快進或者倒退，還可以分享給別人做進一步的分析，是不是想都不敢想。

很開心的是 windbg preview 版本中已經實現了，叫做 時間旅行除錯 TTD，相比傳統的 靜態分析 不知道好多少倍。

為了能提起大家興趣，我就舉二個例子吧。

二：二個有趣的例子

1. 檢視程式都觸發了第幾代垃圾回收

為了方便說明，我就用誘導GC手工觸發，然後再觀察都觸發了哪一代的 GC ，參考程式碼如下：


        static void Main(string[] args)
        {
            List<string> list = new List<string>();

            //1. 第一次觸發GC
            GC.Collect();

            Console.WriteLine("觸發full gc");

            //2. 第二次觸發GC
            GC.Collect(0);

            Console.WriteLine("觸發 0 代 gc");

            //3.第二次觸發GC
            GC.Collect(1);

            Console.WriteLine("觸發 1 代 gc");
        }

接下來用 windbg 的 launch executeable (advanced) 來附加程式，勾選 Record，然後在彈框中將 vlog 儲存到指定目錄，最後點選 Record 就可以啦！

執行完後，windbg 會自動載入我的 D:\test\ConsoleApp104.run 的 vlog 檔案，因為 gc 觸發的底層函式是coreclr!WKS::GCHeap::GarbageCollectGeneration ，所以我們用 bp 給它下一個斷點，執行多次 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

從輸出中可以很清楚的看到，命中了三次 GarbageCollectGeneration 回收，而且從上面的 ecx 暫存器看依次是 2,0,1，對應著 gc 的2代回收，0代回收， 1代回收， 這比只有一個靜態的 dump 是不是有優勢的多，要知道我這裡的 ConsoleApp101.run 檔案是可以分發給別人分析的哦。

2. 檢視新生成的執行緒曾今都執行了什麼程式碼

這個例子源自朋友遇到的一個問題，他的程式跑著跑著，發現 ThreadPool 中有400多待命的工作執行緒，執行緒棧大概如下：


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\_work\1\s\src\vm\synch.cpp @ 654] 
03 0564fd08 7847cf04     coreclr!CLRLifoSemaphore::Wait+0x13b [d:\a\_work\1\s\src\vm\synch.cpp @ 897] 
04 0564fdd4 783f2910     coreclr!ThreadpoolMgr::WorkerThreadStart+0x234 [d:\a\_work\1\s\src\vm\win32threadpool.cpp @ 2121] 
05 0564ff70 7703fa29     coreclr!Thread::intermediateThreadProc+0x50 [d:\a\_work\1\s\src\vm\threads.cpp @ 2110] 
06 0564ff80 772175f4     KERNEL32!BaseThreadInitThunk+0x19
07 0564ffdc 772175c4     ntdll!__RtlUserThreadStart+0x2f
08 0564ffec 00000000     ntdll!_RtlUserThreadStart+0x1b

因為給我的是 靜態dump，所以我無法尋找 11號執行緒 曾今執行了什麼託管程式碼，因為時間不能倒流，但現在有了 TTD，真的可以讓時間倒流啦。。。太有意思了，哈哈，既然能倒流，那就一定有辦法找到破綻。

為了方便講解，寫一個簡單例子。


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

            Console.ReadLine();
        }

接下來我們一起探究下最後生成的 Thread WorkThread 曾今都執行了什麼？ 深挖思路大概是這樣的。

先將進度條拉到底，然後用 !bpmd System_Private_CoreLib System.Threading.Tasks.Task.InnerInvoke 下一個斷點，最後將時間倒流，看誰命中了這個 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 的朋友應該知道: System.Threading.Tasks.Task.InnerInvoke 的下一步就是執行我的回撥函式，而此時 回撥函式 還沒有被 JIT 編譯，這時候我們可以在 bp clrjit!CILJit::compileMethod 中去攔截 JIT 對此方法的編譯，然後從 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\_work\1\s\src\jit\ee_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 目前還不能顯示完全名字，不過沒關係，我們繼續 g ，然後再重複執行一下命令。


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

當時間線結束的時候，我們終於看到了，原來 Task 執行的是 ConsoleApp1.Program+<>c.<Main>b__0_0() 方法，那這個方法邏輯是什麼呢？ 可以用 ILSpy 檢視。

總的來說，要復現還是挺考驗基本功的。

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