C# 託管堆 遭破壞 問題溯源分析

一線碼農發表於2023-01-29
C#

一：背景

1. 講故事

年前遇到了好幾例託管堆被損壞的案例，有些運氣好一些，從被破壞的託管堆記憶體現場能觀測出大概是什麼問題，但更多的情況下是無法做出準確判斷的,原因就在於生成的dump是第二現場，借用之前文章的一張圖，大家可以理解一下。

為了幫助更多受此問題困擾的朋友，這篇來整理一下如何 快狠準 的抓取第一現場。

二：抓取第一現場

1. 思路分析

要想抓到第一現場，只需要讓破壞託管堆的那個執行緒在修改完之後，回到 CLR Pinvoke 層的時候主動觸發GC，因為這時候託管堆已經是損壞狀態了，程式也就會立即崩潰，破壞執行緒也就被捉jian在床，畫個圖如下：

那如何讓 CLR：PInvoke 主動觸發GC呢？ 這就需要藉助微軟的 MDA 託管除錯助手，它有一個 gcUnmanagedToManaged 配置項就是專門做這件事情的，參考網址：https://learn.microsoft.com/zh-cn/dotnet/framework/debug-trace-profile/gcunmanagedtomanaged-mda

2. 如何配置 MDA

MDA 的配置非常簡單，大體上分兩步：

  1. 提交登錄檔開啟MDA

這裡使用登錄檔的方式，需要注意的是，程式和作業系統位數一致的話採用如下方式。


Windows Registry Editor Version 5.00

[HKEY_LOCAL_MACHINE\SOFTWARE\Microsoft\.NETFramework]
"MDA"="1"

如果不一致,採用如下配置，比如 32bit 程式跑在 64bit 系統上。


Windows Registry Editor Version 5.00

[HKEY_LOCAL_MACHINE\SOFTWARE\Wow6432Node\Microsoft\.NETFramework]
"MDA"="1"

這裡我用的是第二段內容，按照官方文件描述，將內容儲存到 MDAEnable.reg 中，然後在 登錄檔編輯器 上匯入即可。

  1. 開啟應用程式級捕獲

為了能夠讓 gcUnmanagedToManaged 生效，需要新建應用程式打頭的配置檔案，比如： Example_16_1_2.exe.mda.config，內容如下：


<mdaConfig>
	<assistants>
		<gcUnmanagedToManaged/>
	</assistants>
</mdaConfig>

完整截圖：

這樣就算配置好了，當程式在 PInvoke 時，CLR 會讀取登錄檔的 MDA 值，如果開啟的話就會讀取 config 中 gcUnmanagedToManaged 子節做相應的邏輯。

tips：如果配置不生效，保守一點的話，建議重啟下機器。

3. 一個託管堆破壞的測試案例

為了演示託管堆損壞，我準備將一個 string 傳給 C++，然後讓 C++ 溢位它來實現託管堆破壞。

C# 程式碼如下：


namespace Example_16_1_2
{
    internal class Program
    {
        [DllImport("Example_16_1_3.dll", CallingConvention = CallingConvention.Cdecl, CharSet = CharSet.Unicode)]
        public extern static void Alloc(string str);

        static void Main(string[] args)
        {
            Test();

            Task.Factory.StartNew(() =>
            {
                Thread.Sleep(3000);
                GC.Collect();
            });

            Console.ReadLine();
        }

        static void Test()
        {
            var str = "hello";
            var str2 = "world!";

            Alloc(str);

        }
    }
}

C++ 程式碼如下：


extern "C"
{
	_declspec(dllexport) void Alloc(wchar_t* c);
}

#include "iostream"
#include <Windows.h>
using namespace std;

void Alloc(wchar_t* c)
{
	for (size_t i = 0; i < 10; i++)
	{
		*c++ = 'a';
	}

	wprintf(L"%s \n", c);
}

從程式碼邏輯看，只要 Alloc(str) 的執行緒棧上觸發了 GC 就是第一現場，Task 下的 GC.Collect(); 是第二現場，如果是前者目的就達到了。

激動人心的時刻到了，把程式跑起來後，由於程式崩潰，procdump 立即給我抓了一個 crash dump，截圖如下：

接下來開啟 windbg，從序幕資訊看果然是 GC 清掃的時候出的問題，託管堆也是損壞狀態，資訊如下：


Debug session time: Sun Jan 29 10:14:21.000 2023 (UTC + 8:00)
System Uptime: 0 days 1:14:11.423
Process Uptime: not available
.................................
Loading unloaded module list
..
This dump file has an exception of interest stored in it.
The stored exception information can be accessed via .ecxr.
(4460.52ac): Access violation - code c0000005 (first/second chance not available)
For analysis of this file, run !analyze -v
eax=00610060 ebx=00000000 ecx=02da23a4 edx=00000001 esi=02da2370 edi=02da2388
eip=79a6f2d1 esp=00d3ef64 ebp=00d3f104 iopl=0         nv up ei pl nz na pe nc
cs=0023  ss=002b  ds=002b  es=002b  fs=0053  gs=002b             efl=00010206
clr!WKS::gc_heap::plan_phase+0x79b:
79a6f2d1 f70000000080    test    dword ptr [eax],80000000h ds:002b:00610060=????????

0:000> !VerifyHeap
Could not request method table data for object 02DA1228 (MethodTable: 0000000C).
Last good object: 02DA121C.
object 03da1020: bad member 02DA1228 at 03DA1098
Last good object: 03DA1010.
object 03da2338: bad member 02DA1228 at 03DA2340
Last good object: 03DA2328.
object 03da3568: bad member 02DA2364 at 03DA357C
Last good object: 03DA3558.
Failed to request SyncBlk at index 1.

那是不是主執行緒引發的GC呢？切過去便知。


0:000> ~0s
eax=00610060 ebx=00000000 ecx=02da23a4 edx=00000001 esi=02da2370 edi=02da2388
eip=79a6f2d1 esp=00d3ef64 ebp=00d3f104 iopl=0         nv up ei pl nz na pe nc
cs=0023  ss=002b  ds=002b  es=002b  fs=0053  gs=002b             efl=00010206
clr!WKS::gc_heap::plan_phase+0x79b:
79a6f2d1 f70000000080    test    dword ptr [eax],80000000h ds:002b:00610060=????????
0:000> !clrstack
OS Thread Id: 0x52ac (0)
Child SP       IP Call Site
00d3f220 79a6f2d1 [HelperMethodFrame: 00d3f220] System.StubHelpers.StubHelpers.TriggerGCForMDA()
00d3f294 02bc0aa7 DomainBoundILStubClass.IL_STUB_PInvoke(System.String)
00d3f298 02bc09c9 [InlinedCallFrame: 00d3f298] Example_16_1_2.Program.Alloc(System.String)
00d3f2e0 02bc09c9 Example_16_1_2.Program.Test() [D:\testdump\Example\Example_16_1_2\Program.cs @ 35]
00d3f2f0 02bc0900 Example_16_1_2.Program.Main(System.String[]) [D:\testdump\Example\Example_16_1_2\Program.cs @ 19]
00d3f490 7996f036 [GCFrame: 00d3f490] 
0:000> k 10
 # ChildEBP RetAddr      
00 00d3f104 79a68153     clr!WKS::gc_heap::plan_phase+0x79b
01 00d3f124 79a6847b     clr!WKS::gc_heap::gc1+0xbc
02 00d3f13c 79a68585     clr!WKS::gc_heap::garbage_collect+0x367
03 00d3f15c 79b1ddbd     clr!WKS::GCHeap::GarbageCollectGeneration+0x1bd
04 00d3f16c 79b1de34     clr!WKS::GCHeap::GarbageCollectTry+0x71
05 00d3f198 79d20aed     clr!WKS::GCHeap::GarbageCollect+0xac
06 00d3f204 79d066c0     clr!TriggerGCForMDAInternal+0x7d
07 00d3f28c 02bc0aa7     clr!StubHelpers::TriggerGCForMDA+0x61
WARNING: Frame IP not in any known module. Following frames may be wrong.
08 00d3f2d8 02bc09c9     0x2bc0aa7
09 00d3f2e8 02bc0900     Example_16_1_2!Example_16_1_2.Program.Test+0x39 [D:\testdump\Example\Example_16_1_2\Program.cs @ 35] 
0a 00d3f318 7996f036     Example_16_1_2!Example_16_1_2.Program.Main+0x30 [D:\testdump\Example\Example_16_1_2\Program.cs @ 19] 
0b 00d3f324 799722da     clr!CallDescrWorkerInternal+0x34
0c 00d3f378 7997859b     clr!CallDescrWorkerWithHandler+0x6b
0d 00d3f3ec 79b1b11b     clr!MethodDescCallSite::CallTargetWorker+0x16a
0e 00d3f510 79b1b7fa     clr!RunMain+0x1b3
0f 00d3f77c 79b1b727     clr!Assembly::ExecuteMainMethod+0xf7

從執行緒棧上的 clr!StubHelpers::TriggerGCForMDA 來看，在 Pinvoke 層果然主動觸發了 GC，成功將 Program.Alloc 這個非託管方法捉jian在床。

三：總結

在此之前很多朋友都會困惑於託管堆破壞導致的程式崩潰，希望這篇文章能夠讓後來者少走彎路。

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