記一次 .NET 某儀器測量系統 CPU爆高分析

一線碼農發表於2023-09-22

一：背景

1. 講故事

最近也挺奇怪，看到了兩起 CPU 爆高的案例，且誘因也是一致的，覺得有一些代表性，合併分享出來幫助大家來避坑吧，閒話不多說，直接上 windbg 分析。

二：WinDbg 分析

1. CPU 真的爆高嗎

這裡要提醒一下，別人說爆高不一定真的就是爆高，我們一定要拿資料說話，可以用 !tp 觀察下。


0:000> !tp
logStart: 132
logSize: 200
CPU utilization: 59 %
Worker Thread: Total: 6 Running: 6 Idle: 0 MaxLimit: 10 MinLimit: 4
Work Request in Queue: 0
--------------------------------------
Number of Timers: 3
--------------------------------------
Completion Port Thread:Total: 2 Free: 2 MaxFree: 8 CurrentLimit: 2 MaxLimit: 10 MinLimit: 4

雖然卦中的 CPU 不低但也不是我理想的閾值，不過分析也是可以分析的，知道了 CPU 的利用率，接下來我們看下這個 CPU 猛不猛，使用 !cpuid 看下核心數。


0:000> !cpuid
CP  F/M/S  Manufacturer     MHz
 0  6,167,1  <unavailable>    199
 1  6,167,1  <unavailable>    199
 2  6,167,1  <unavailable>    199
 3  6,167,1  <unavailable>    199

只有四個核心，看樣子這 CPU 不咋地哈，接下來的問題是誰導致了 CPU 爆高呢？

2. 是誰導致的 CPU 爆高

如果你剛才仔細看 !tp 的輸出，應該會發現這麼一句話 Total: 6 Running: 6 ，這表示當前執行緒池中的所有工作執行緒火力全開，有了這個現象，思路就比較明朗了，為什麼會火力全開，這些執行緒此時都在幹什麼？ 我們使用 ~*e !clrstack 觀察一下。


0:000> ~*e !clrstack
...
OS Thread Id: 0x1dd8 (58)
        Child SP               IP Call Site
...
00000065F623F360 00007ffc38383a06 xxx+c__DisplayClass18_0.b__0(System.Object)
00000065F623FA00 00007ffc385680e2 System.Threading.ThreadPoolWorkQueue.Dispatch() [/_/src/libraries/System.Private.CoreLib/src/System/Threading/ThreadPoolWorkQueue.cs @ 729]
00000065F623FA90 00007ffc9638e3ee System.Threading.PortableThreadPool+WorkerThread.WorkerThreadStart() [/_/src/libraries/System.Private.CoreLib/src/System/Threading/PortableThreadPool.WorkerThread.cs @ 63]
00000065F623FBA0 00007ffc96372eaf System.Threading.Thread.StartCallback() [/_/src/coreclr/System.Private.CoreLib/src/System/Threading/Thread.CoreCLR.cs @ 105]
00000065F623FE30 00007ffc9730af03 [DebuggerU2MCatchHandlerFrame: 00000065f623fe30] 
OS Thread Id: 0x15a8 (59)
        Child SP               IP Call Site
00000065F63BE6F8 00007ffca6905d14 [InlinedCallFrame: 00000065f63be6f8] Interop+Winsock.recv(System.Net.Sockets.SafeSocketHandle, Byte*, Int32, System.Net.Sockets.SocketFlags)
00000065F63BE6F8 00007ffc38521441 [InlinedCallFrame: 00000065f63be6f8] Interop+Winsock.recv(System.Net.Sockets.SafeSocketHandle, Byte*, Int32, System.Net.Sockets.SocketFlags)
00000065F63BE6C0 00007ffc38521441 ILStubClass.IL_STUB_PInvoke(System.Net.Sockets.SafeSocketHandle, Byte*, Int32, System.Net.Sockets.SocketFlags)
00000065F63BE790 00007ffc385679d1 System.Net.Sockets.Socket.Receive(Byte[], Int32, Int32, System.Net.Sockets.SocketFlags, System.Net.Sockets.SocketError ByRef) [/_/src/libraries/System.Net.Sockets/src/System/Net/Sockets/Socket.cs @ 1473]
...
00000065F63BF140 00007ffc3838ae0b xxx+c__DisplayClass18_0.b__0(System.Object)
00000065F63BF7E0 00007ffc385680e2 System.Threading.ThreadPoolWorkQueue.Dispatch() [/_/src/libraries/System.Private.CoreLib/src/System/Threading/ThreadPoolWorkQueue.cs @ 729]
00000065F63BF870 00007ffc9638e3ee System.Threading.PortableThreadPool+WorkerThread.WorkerThreadStart() [/_/src/libraries/System.Private.CoreLib/src/System/Threading/PortableThreadPool.WorkerThread.cs @ 63]
00000065F63BF980 00007ffc96372eaf System.Threading.Thread.StartCallback() [/_/src/coreclr/System.Private.CoreLib/src/System/Threading/Thread.CoreCLR.cs @ 105]
00000065F63BFC10 00007ffc9730af03 [DebuggerU2MCatchHandlerFrame: 00000065f63bfc10]

透過仔細觀察各個執行緒的執行緒棧，發現最多的是 xxx+c__DisplayClass18_0.b__0 方法，從底層的 PortableThreadPool 來看，這是 C# 自己封裝的執行緒池，說明這是由 執行緒池工作執行緒建立的，再輔助一張截圖：

接下來的方向是 xxx+c__DisplayClass18_0.b__0 為何方神聖，可能有些朋友對這種方法命名很奇怪，這裡解釋一下，一般都是 await, async 的底層弄出來的，由大量的狀態機方法所致。

3. c__DisplayClass18_0 到底寫了什麼

知道了這個方法，接下來可以用 ILSPY 去觀察下這段程式碼，截圖如下：

上面這段程式碼不知道大家有沒有看出什麼問題？ 至少我看到這樣的程式碼我就知道 CPU 為什麼會爆高了，兩點原因。

  • 偷懶，無腦往執行緒池丟，導致執行緒增多
  • 執行緒中方法時間複雜度高。

關於時間複雜度高，在子函式很容易就能找到諸如此類程式碼，將一個 hash 用在了一個它最不擅長的地方，複雜度一下子就上來了。


public static xxx Getxxx(xxx conxx)
{
	xxx xxxInfo2 = conxxx;
	lock (xxx)
	{
		return hashxxxnfo.Where((xxxInfo x) => x.xxx == xxx.xxx && x.xxx == xxx.intPtr)?.FirstOrDefault();
	}
}

4. 其他dump呢

剛才我也說了，最近是連續看到了兩個，另外一個也是很奇葩的，而且還更嚴重，使用 !tp 觀察一下。


0:000> !tp
CPU utilization: 92%
Worker Thread: Total: 16 Running: 16 Idle: 0 MaxLimit: 32767 MinLimit: 16
Work Request in Queue: 17
    AsyncTimerCallbackCompletion TimerInfo@000000e644d32df0
    Unknown Function: 00007fff29dc17d0  Context: 000000e136337f58
    Unknown Function: 00007fff29dc17d0  Context: 000000e136344798
    Unknown Function: 00007fff29dc17d0  Context: 000000e1363479a8
    ...
    Unknown Function: 00007fff29dc17d0  Context: 000000e135730720
    Unknown Function: 00007fff29dc17d0  Context: 000000e13573ccd8
--------------------------------------
Number of Timers: 0
--------------------------------------
Completion Port Thread:Total: 1 Free: 1 MaxFree: 32 CurrentLimit: 1 MaxLimit: 1000 MinLimit: 16

從卦中看，cpu利用率更高，執行緒池佇列還有任務堆積，用同樣的方式也洞察出了它的問題程式碼，也是一個無腦丟。

5. 如何最佳化

要想把 CPU 弄下去，無非就是在 生產端 和 消費端 進行雙向打磨。

  1. 生產端

嚴格控制執行緒的個數，以排隊的方式定時定量的處理，嚴禁無腦丟，因為執行的執行緒少了，cpu自然就下去了。

  1. 消費端

很多朋友寫程式碼不注意時間複雜度，或者根本不關心，導致資料量稍微大一點，程式碼就接近死迴圈，真的是無語死了，所以儘量把程式碼效能最佳化再最佳化，提高單次處理速度，讓 消費端 接待能力 大大超出 生產端。

三：總結

這兩個 CPU 爆高事故還是非常經典的，根子上還是有不少初中級程式設計師具有 偷懶 + 無視演算法 的思維，謹以這篇讓後來的朋友少踩坑吧！

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