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对 .NET线程 异常退出引发程序崩溃的反思

梦霉 5 小时前
一:背景

1. 讲故事

前天收到了一个.NET程序崩溃的dump,经过一顿分析之后,发现祸根是因为一个.NET托管线程(DBG=XXXX)的异常退出所致,参考如下:
  1. 0:011> !t
  2. ThreadCount:      17
  3. UnstartedThread:  0
  4. BackgroundThread: 16
  5. PendingThread:    0
  6. DeadThread:       0
  7. Hosted Runtime:   no
  8.                                                                                                             Lock  
  9. DBG   ID     OSID ThreadOBJ           State GC Mode     GC Alloc Context                  Domain           Count Apt Exception
  10.    0    1     84d8 000001C0801EAC20    26020 Preemptive  0000000000000000:0000000000000000 000001c080266300 -00001 STA
  11.    3    2     9d78 000001C0801F8210    2b220 Preemptive  0000000000000000:0000000000000000 000001c080266300 -00001 MTA (Finalizer)
  12.    4    4     8760 000001C08466C800  102b220 Preemptive  0000000000000000:0000000000000000 000001c080266300 -00001 MTA (Threadpool Worker)
  13.    ...
  14.   44   16     b2fc 000001C08F949450  102b220 Preemptive  0000000000000000:0000000000000000 000001c080266300 -00001 MTA (GC) (Threadpool Worker)
  15.   46   15     9904 000001C08F9487B0  102b220 Preemptive  0000000000000000:0000000000000000 000001c080266300 -00001 MTA (Threadpool Worker)
  16. XXXX    3     a23c 000001C08F948E00  102b220 Preemptive  0000000000000000:0000000000000000 000001c080266300 -00001 Ukn (Threadpool Worker)
复制代码
由于线程异常退出,CLR此时完全不知情,当 GC 触发时会在这个XXXX线程上寻找引用根,由于是一个不存在的线程,所以访问它的空间自然就是访问违例,从 ScanStackRoots 函数调用栈上可以清晰的看到,参考如下:
  1. 0:011> .ecxr
  2. rax=00007ffdbefcc8a0 rbx=000000a42007f5f0 rcx=000000a42187f688
  3. rdx=0000000000000000 rsi=000000a42007ee60 rdi=000000a42007f100
  4. rip=00007ffdbec36cbb rsp=000000a42007f828 rbp=000001c08f948e00
  5. r8=000000a42007f910  r9=000001c08f948e00 r10=00000fffb7da5860
  6. r11=0555501544555545 r12=ffffffffffffffff r13=0000000000000000
  7. r14=0000000000000000 r15=00007ffdbec14fb0
  8. iopl=0         nv up ei pl nz ac pe cy
  9. cs=0033  ss=002b  ds=002b  es=002b  fs=0053  gs=002b             efl=00010211
  10. coreclr!InlinedCallFrame::FrameHasActiveCall+0x13:
  11. 00007ffd`bec36cbb 483b01          cmp     rax,qword ptr [rcx] ds:000000a4`2187f688=????????????????
  12. 0:011> k
  13.   *** Stack trace for last set context - .thread/.cxr resets it
  14. # Child-SP          RetAddr               Call Site
  15. 00 000000a4`2007f828 00007ffd`bec36c2e     coreclr!InlinedCallFrame::FrameHasActiveCall+0x13 [D:\a\_work\1\s\src\coreclr\vm\frames.h @ 2927]
  16. 01 000000a4`2007f830 00007ffd`bec36aef     coreclr!ScanStackRoots+0x3a [D:\a\_work\1\s\src\coreclr\vm\gcenv.ee.cpp @ 121]
  17. 02 000000a4`2007f8a0 00007ffd`bec29627     coreclr!GCToEEInterface::GcScanRoots+0x8f [D:\a\_work\1\s\src\coreclr\vm\gcenv.ee.cpp @ 282]
  18. 03 (Inline Function) --------`--------     coreclr!GCScan::GcScanRoots+0x73 [D:\a\_work\1\s\src\coreclr\gc\gcscan.cpp @ 152]
  19. 04 000000a4`2007f8e0 00007ffd`bec14865     coreclr!WKS::gc_heap::background_mark_phase+0xdf [D:\a\_work\1\s\src\coreclr\gc\gc.cpp @ 37866]
  20. 05 000000a4`2007f990 00007ffd`bed286a0     coreclr!WKS::gc_heap::gc1+0x511 [D:\a\_work\1\s\src\coreclr\gc\gc.cpp @ 22315]
  21. 06 000000a4`2007f9f0 00007ffd`bed391c1     coreclr!WKS::gc_heap::bgc_thread_function+0x68 [D:\a\_work\1\s\src\coreclr\gc\gc.cpp @ 39244]
  22. 07 000000a4`2007fa20 00007ffe`3533e8d7     coreclr!<lambda_7303b2ca2c5f80d5f81ddddfcd2de660>::operator()+0xa1 [D:\a\_work\1\s\src\coreclr\vm\gcenv.ee.cpp @ 1441]
  23. 08 000000a4`2007fa50 00007ffe`363f14fc     kernel32!BaseThreadInitThunk+0x17
  24. 09 000000a4`2007fa80 00000000`00000000     ntdll!RtlUserThreadStart+0x2c
复制代码
说实话这种崩溃我见过很多例,但更多的都是 new Thread 创建出来的,所以用 harmony 对它的 Thread.StartCore 进行拦截就能轻松找出,但这次崩溃有一些特殊,它并不是来自于 new Thread 而是线程池散养的线程(ThreadPool),这对问题分析增加了不少难度,既然是反思,那就好好的总结此类问题的解决思路吧。
二:故障重现

1. 问题代码

为了方便演示,我们用 C# 调用 C,然后在 C 中通过 TerminateThread 让程序异常退出,首先看下 C 代码:
  1. extern "C"
  2. {
  3.         _declspec(dllexport) void dowork();
  4. }
  5. #include "iostream"
  6. #include <Windows.h>
  7. using namespace std;
  8. void dowork()
  9. {
  10.         DWORD threadId = GetCurrentThreadId();
  11.         printf("C++:当前线程ID(十进制):%lu,十六进制:0x%X\n", threadId, threadId);
  12.         printf("C++:我准备退出了哦。。。\n");
  13.         TerminateThread(GetCurrentThread(), 1);
  14. }
复制代码
接下来在 C# 中调用导出的 dowork 方法,参考代码如下:
  1. namespace Example_1_1
  2. {
  3.     internal class Program
  4.     {
  5.         static void Main(string[] args)
  6.         {
  7.             DoRequest();
  8.             Console.ReadLine();
  9.         }
  10.         static void DoRequest()
  11.         {
  12.             Task.Run(() =>
  13.             {
  14.                 Console.WriteLine("1. 调用 C++ 代码...");
  15.                 try
  16.                 {
  17.                     dowork();
  18.                     Console.WriteLine("2. C++ 代码执行完毕...");
  19.                 }
  20.                 catch (Exception ex)
  21.                 {
  22.                     Console.WriteLine($"2. C++ 代码执行异常: {ex.Message}");
  23.                 }
  24.             });
  25.         }
  26.         [DllImport("Example_1_2", CallingConvention = CallingConvention.Cdecl)]
  27.         public extern static void dowork();
  28.     }
  29. }
复制代码
最后将程序运行起来,用windbg附加,可以看到果然有一个 XXXX 线程,截图如下:
1.png

故障已经复现,接下来就是寻找到底是谁让 ThreadPool 线程异常退出了。。。
三:如何寻找第一现场

1. process monitor

要想找到这个问题的祸根,需要找到调用 TerminateThread 函数的调用栈,一种简单粗暴的方法就是用 process monitor,根据 Windows 的ETW 规则,一个线程退出时会发出一个 Event 事件,这种事件可以被 process monitor 捕获,并且还能记录到调用栈,有了想法之后说干就干,配置界面如下:
2.png

接下来运行程序,使用 windbg 附加进程,寻找问题线程ID,参考如下:
  1. 0:005> !t
  2. ThreadCount:      5
  3. UnstartedThread:  0
  4. BackgroundThread: 3
  5. PendingThread:    0
  6. DeadThread:       1
  7. Hosted Runtime:   no
  8.                                                                                                             Lock  
  9. DBG   ID     OSID ThreadOBJ           State GC Mode     GC Alloc Context                  Domain           Count Apt Exception
  10.    0    1     153c 00000202C603C240    2a020 Preemptive  00000202CA819060:00000202CA81B020 00000202c6088980 -00001 MTA
  11.    3    2      afc 00000202C60F0DB0    2b220 Preemptive  0000000000000000:0000000000000000 00000202c6088980 -00001 MTA (Finalizer)
  12. XXXX    4     4718 00000202C6057D10  102b220 Preemptive  00000202CA80CF70:00000202CA80E740 00000202c6088980 -00001 Ukn (Threadpool Worker)
  13.    4    5     4420 00000202C605D510  302b220 Preemptive  00000202CA80EB40:00000202CA810760 00000202c6088980 -00001 MTA (Threadpool Worker)
  14. 0:005> ? 4718
  15. Evaluate expression: 18200 = 00000000`00004718
复制代码
从卦中可以看到是一个叫 osid=18200 的线程异常退出,接下来从 process monitor 界面上果然看到了一个Thread ID:18200 的 Thread Exit 事件,完美,截图如下:
3.png

接下来就是双击,打开 Stack 选项卡,可以清晰的看到是有人调用了 Example_1_2!dowork 导致的退出,截图如下:
4.png

在真实项目中,我相信你看到 dowork 函数应该知道发生了什么,排查范围是不是一下子就小了很多。。。相信这个问题你能轻松搞定。
2. MinHook 注入

上面的 process monitor 虽好,但也有一个让人不如意的地方,那就是不能显示托管栈,这个确实没办法,那有没有办法让我看到托管栈呢?如果能看到就完美了,做法非常简单,对 kernel32!TerminateThread 进行注入即可,一旦有人执行了这个方法,记录 Terminate 线程的线程ID以及调用栈即可,完整代码如下:
  1. namespace Example_1_1
  2. {
  3.     internal class Program
  4.     {
  5.         static void Main(string[] args)
  6.         {
  7.             // Install the hook before any TerminateThread calls can occur
  8.             TerminateThreadHook.InstallHook();
  9.             Console.WriteLine("Hook installed. Starting test...");
  10.             DoRequest();
  11.             // Uninstall hook when done
  12.             TerminateThreadHook.UninstallHook();
  13.             Console.ReadLine();
  14.         }
  15.         static void DoRequest()
  16.         {
  17.             Task.Run(() =>
  18.             {
  19.                 Console.WriteLine("1. 调用 C++ 代码...");
  20.                 try
  21.                 {
  22.                     dowork();
  23.                     Console.WriteLine("2. C++ 代码执行完毕...");
  24.                 }
  25.                 catch (Exception ex)
  26.                 {
  27.                     Console.WriteLine($"2. C++ 代码执行异常: {ex.Message}");
  28.                 }
  29.             });
  30.         }
  31.         [DllImport("Example_1_2", CallingConvention = CallingConvention.Cdecl)]
  32.         public extern static void dowork();
  33.     }
  34.     public static class TerminateThreadHook
  35.     {
  36.         // TerminateThread function signature
  37.         [UnmanagedFunctionPointer(CallingConvention.StdCall)]
  38.         private delegate bool TerminateThreadDelegate(IntPtr hThread, uint dwExitCode);
  39.         private static TerminateThreadDelegate _originalTerminateThread;
  40.         private static IntPtr _terminateThreadPtr = IntPtr.Zero;
  41.         public static void InstallHook()
  42.         {
  43.             // 1. Get TerminateThread address from kernel32.dll
  44.             _terminateThreadPtr = MinHook.GetProcAddress(
  45.                 MinHook.GetModuleHandle("kernel32.dll"), "TerminateThread");
  46.             if (_terminateThreadPtr == IntPtr.Zero)
  47.             {
  48.                 Console.WriteLine("Failed to find TerminateThread address.");
  49.                 return;
  50.             }
  51.             // 2. Initialize MinHook
  52.             var status = MinHook.MH_Initialize();
  53.             if (status != MinHook.MH_STATUS.MH_OK)
  54.             {
  55.                 Console.WriteLine($"MH_Initialize failed: {status}");
  56.                 return;
  57.             }
  58.             // 3. Create Hook
  59.             var detourPtr = Marshal.GetFunctionPointerForDelegate(
  60.                 new TerminateThreadDelegate(HookedTerminateThread));
  61.             status = MinHook.MH_CreateHook(_terminateThreadPtr, detourPtr, out var originalPtr);
  62.             if (status != MinHook.MH_STATUS.MH_OK)
  63.             {
  64.                 Console.WriteLine($"MH_CreateHook failed: {status}");
  65.                 return;
  66.             }
  67.             _originalTerminateThread = Marshal.GetDelegateForFunctionPointer<TerminateThreadDelegate>(originalPtr);
  68.             // 4. Enable Hook
  69.             status = MinHook.MH_EnableHook(_terminateThreadPtr);
  70.             if (status != MinHook.MH_STATUS.MH_OK)
  71.             {
  72.                 Console.WriteLine($"MH_EnableHook failed: {status}");
  73.                 return;
  74.             }
  75.             Console.WriteLine("TerminateThread hook installed successfully!");
  76.         }
  77.         public static void UninstallHook()
  78.         {
  79.             if (_terminateThreadPtr == IntPtr.Zero)
  80.                 return;
  81.             // 1. Disable Hook
  82.             var status = MinHook.MH_DisableHook(_terminateThreadPtr);
  83.             if (status != MinHook.MH_STATUS.MH_OK)
  84.                 Console.WriteLine($"MH_DisableHook failed: {status}");
  85.             // 2. Uninitialize MinHook
  86.             status = MinHook.MH_Uninitialize();
  87.             if (status != MinHook.MH_STATUS.MH_OK)
  88.                 Console.WriteLine($"MH_Uninitialize failed: {status}");
  89.             _terminateThreadPtr = IntPtr.Zero;
  90.             Console.WriteLine("Hook uninstalled.");
  91.         }
  92.         private static bool HookedTerminateThread(IntPtr hThread, uint dwExitCode)
  93.         {
  94.             // Get current thread ID
  95.             uint currentThreadId = GetCurrentThreadId();
  96.             uint targetThreadId = GetThreadId(hThread);
  97.             Console.WriteLine($"[HOOK] TerminateThread intercepted!");
  98.             Console.WriteLine($"  Attempting to terminate thread: 0x{targetThreadId.ToString("X")} (ID: {targetThreadId})");
  99.             Console.WriteLine($"  Called from thread ID: {currentThreadId}");
  100.             // Print managed call stack
  101.             Console.WriteLine("\n  [Managed Call Stack]:");
  102.             Console.WriteLine(Environment.StackTrace);
  103.             return _originalTerminateThread(hThread, dwExitCode);
  104.         }
  105.         [DllImport("kernel32.dll")]
  106.         private static extern uint GetCurrentThreadId();
  107.         [DllImport("kernel32.dll")]
  108.         private static extern uint GetThreadId(IntPtr hThread);
  109.     }
  110.     public static class MinHook
  111.     {
  112.         public enum MH_STATUS
  113.         {
  114.             MH_OK = 0,
  115.             MH_ERROR_ALREADY_INITIALIZED,
  116.             MH_ERROR_NOT_INITIALIZED,
  117.             // ... other status codes
  118.         }
  119.         [DllImport("MinHook.x64.dll", CallingConvention = CallingConvention.Cdecl)]
  120.         public static extern MH_STATUS MH_Initialize();
  121.         [DllImport("MinHook.x64.dll", CallingConvention = CallingConvention.Cdecl)]
  122.         public static extern MH_STATUS MH_Uninitialize();
  123.         [DllImport("MinHook.x64.dll", CallingConvention = CallingConvention.Cdecl)]
  124.         public static extern MH_STATUS MH_CreateHook(IntPtr pTarget, IntPtr pDetour, out IntPtr ppOriginal);
  125.         [DllImport("MinHook.x64.dll", CallingConvention = CallingConvention.Cdecl)]
  126.         public static extern MH_STATUS MH_EnableHook(IntPtr pTarget);
  127.         [DllImport("MinHook.x64.dll", CallingConvention = CallingConvention.Cdecl)]
  128.         public static extern MH_STATUS MH_DisableHook(IntPtr pTarget);
  129.         [DllImport("kernel32.dll", CharSet = CharSet.Unicode)]
  130.         public static extern IntPtr GetModuleHandle(string lpModuleName);
  131.         [DllImport("kernel32.dll", CharSet = CharSet.Ansi)]
  132.         public static extern IntPtr GetProcAddress(IntPtr hModule, string lpProcName);
  133.     }
  134. }
复制代码
5.png

从卦中信息看果然拦截到了,通过 Environment.StackTrace 属性将托管栈完美的展示出来,但这里也有一个小遗憾就是没看到非托管部分,如果真想要的话可以借助 dbghelp.dll,这个就不细说了,总之根据这些调用栈日志 再比对 dump 中的异常退出线程,最终就会真相大白。。。
四:总结

如今.NET的主战场在工控,而工控中有大量的C#和C++交互的场景,C++处理不慎就会导致C#灾难性后果,这篇文章所输出的经验希望给后来者少踩坑吧!
6.jpeg

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