艾伟：.Net 下跟踪线程挂起和程序死循环

.Net 下调试跟踪线程挂起和程序死循环

　　作者：Eaglet

     .Net 下的程序调试相对C/C++要简单很多，少了那些令人头疼的指针越界的问题。不过当你的程序遇到如下问题时，依然非常棘手：

     1. 进程异常终止。解决方案见 .Net 下未捕获异常的处理

     2. 内存泄漏或者内存申请后程序始终没有释放。解决方案见 用 .NET Memory Profiler 跟踪.net 应用内存使用情况--基本应用篇 。如果通过自己编写的程序监控，我将在以后的文章中阐述。

     3. 线程因未知原因挂起，比如死锁。

     4. 程序死循环。

     本文将阐述如果编写程序对后两者故障实时跟踪并报告。

•      首先我们需要一个单独的监控线程来监控需要监控的线程

     我做了一个监控类 ThreadMonitor，在开始监控之前，我们将监控线程的优先级设置为最高。

        public ThreadMonitor()
        {
            _MonitorThread = new Thread(new ThreadStart(MonitorTask));
            _MonitorThread.Priority = ThreadPriority.Highest;
            _MonitorThread.IsBackground = true;

        }

•      接下来我们为这个线程提供几个公共方法

Start  方法让调用者启动监控

Register 方法用于将需要监控的线程注册到监控列表中

Heartbeat 方法后面说明

        /**//// 
        /// Start monitor
        /// 
        public void Start()
        {
            _MonitorThread.Start();
        }


        /**//// 
        /// Monitor register
        /// 
        /// Monitor parameter
        public void Register(MonitorParameter monitorPara)
        {
            Debug.Assert(monitorPara != null);
            Debug.Assert(monitorPara.Thread != null);

            if (GetTCB(monitorPara.Thread) != null)
            {
                throw new System.ArgumentException("Register repeatedly!");
            }

            lock (_RegisterLock)
            {
                _TCBTable.Add(monitorPara.Thread.ManagedThreadId, new TCB(monitorPara));
            }
        }

        public void Heartbeat(Thread t)
        {
            TCB tcb = GetTCB(t);
            if (tcb == null)
            {
                throw new System.ArgumentException("This thread was not registered!");
            }

            tcb.LastHeartbeat = DateTime.Now;
            tcb.HitTimes = 0;
            tcb.Status &= ~ThreadStatus.Hang;
        }

下面让我来说说如何监控某个线程挂起。

监控线程提供了一个心跳调用 Heartbeat ，被监控的线程必须设置一个定时器定时向监控线程发送心跳，如果监控线程在一定时间内无法收到这个心跳消息，则认为被监控线程非正常挂起了。这个时间又MonitorParameter参数的HangTimeout指定。

光监控到线程挂起还不够，我们必须要报告线程当前挂起的位置才有实际意义。那么如何获得线程当前的调用位置呢？.Net framework 为我们提供了获取线程当前堆栈调用回溯的方法。见下面代码

        private string GetThreadStackTrace(Thread t)
        {
            bool needFileInfo = NeedFileInfo;

            t.Suspend();
            StackTrace stack = new StackTrace(t, needFileInfo);
            t.Resume();

            return stack.ToString();
        }

这里需要说明的是StackTrace(t, needFileInfo) 必须在线程t Suspend后 才能调用，否则会发生异常。但Thread.Suspend 调用是比较危险的，因为调用者无法知道线程t挂起前的运行状况，可能线程t目前正在等待某个资源，这时强制挂起，非常容易造成程序死锁。不过值得庆幸的是StackTrace(t, needFileInfo)的调用不会和其他线程尤其是调用线程产生资源冲突，但我们必须在这一句执行结束后迅速调用 t.Resume 结束线程t的挂起状态。

谈完了对线程非正常挂起的监控，再谈谈对程序死循环的监控。

在决定采用我现在的这个方案之前，我曾经想通过 GetThreadTimes 这个API 函数得到被监控线程的实际CPU运行时间，通过这个时间来计算其CPU占有率，但很遗憾，我的尝试失败了。通过非当前线程下调用 GetThreadTimes 无法得到对应线程的CPU时间。（好像非托管线程可以，但.Net的托管线程我试了，确实不行，但原因我还没弄明白）另外GetThreadTimes 统计不够准确 见 对老赵写的简单性能计数器的修改续- 关于 GetThreadTimes

所以没有办法，我采用了一个不是很理想的方案

定时统计当前进程的TotalProcessorTime 来计算当前线程的CPU占有率，如果这个CPU占有率在一段时间内大于 100 / (CPU 数）* 90% ，则认为当前进程出现了死循环。这个测试时间由  MonitorParameter参数的DeadCycleTimeout 属性指定。

这就出现了一个问题，我们只知道程序死循环了，但不知道具体是那个线程死循环，那么如何找到真正死循环的线程呢？

我采用的方法是每秒钟检测一次线程当前状态，如果当前状态为运行状态则表示命中一次，在确认出现死循环后我们在来检查在一个检查周期内的命中次数，如果这个命中次数足够高，则认为是该线程死循环了。不过这样还是有问题，主线程在等待windows 消息时 或者控制台程序线程在等待控制台输入时，该线程的状态居然始终是 Runing ，其实是阻塞了，但我没有找到一个很好的方法来得到线程当前处于阻塞状态。怎么办？我想了个笨办法，就是在上面两个条件都符合的情况下再看看在此期间有没有心跳，如果没有心跳，说明死循环了。但如果有心跳也不一定就没有死循环，遇到这种情况，就将可疑的都全部报告了，靠人来判断吧。

我写了一个示例代码，代码中有一个Winform 主线程 和 一个计数器线程，计数器线程每秒记一次数，并更新界面。监控线程检查到非正常挂起或者死循环，将在当前目录下写一个Report.log 输出监控报告。

点击Hang后主线程休眠20秒，计数器线程由于要更新界面，也同样会被挂起。

监控线程检查到两个线程挂起后报告如下：

2:38:40 PM
ThreadMonitorEvent
Thread Name:Main thread
Thread Status:Hang
Thread Stack:   at System.Threading.Thread.SleepInternal(Int32 millisecondsTimeout)
   at System.Threading.Thread.Sleep(Int32 millisecondsTimeout)
   at DotNetDebug.Form1.buttonHang_Click(Object sender, EventArgs e)
   at System.Windows.Forms.Control.OnClick(EventArgs e)
   at System.Windows.Forms.Button.OnClick(EventArgs e)
   at System.Windows.Forms.Button.OnMouseUp(MouseEventArgs mevent)
   at System.Windows.Forms.Control.WmMouseUp(Message& m, MouseButtons button, Int32 clicks)
   at System.Windows.Forms.Control.WndProc(Message& m)
   at System.Windows.Forms.ButtonBase.WndProc(Message& m)
   at System.Windows.Forms.Button.WndProc(Message& m)
   at System.Windows.Forms.Control.ControlNativeWindow.OnMessage(Message& m)
   at System.Windows.Forms.Control.ControlNativeWindow.WndProc(Message& m)
   at System.Windows.Forms.NativeWindow.DebuggableCallback(IntPtr hWnd, Int32 msg, IntPtr wparam, IntPtr lparam)
   at System.Windows.Forms.UnsafeNativeMethods.DispatchMessageW(MSG& msg)
   at System.Windows.Forms.Application.ComponentManager.System.Windows.Forms.UnsafeNativeMethods.IMsoComponentManager.FPushMessageLoop(Int32 dwComponentID, Int32 reason, Int32 pvLoopData)
   at System.Windows.Forms.Application.ThreadContext.RunMessageLoopInner(Int32 reason, ApplicationContext context)
   at System.Windows.Forms.Application.ThreadContext.RunMessageLoop(Int32 reason, ApplicationContext context)
   at System.Windows.Forms.Application.Run(Form mainForm)
   at DotNetDebug.Program.Main()
   at System.AppDomain._nExecuteAssembly(Assembly assembly, String[] args)
   at System.AppDomain.ExecuteAssembly(String assemblyFile, Evidence assemblySecurity, String[] args)
   at Microsoft.VisualStudio.HostingProcess.HostProc.RunUsersAssembly()
   at System.Threading.ThreadHelper.ThreadStart_Context(Object state)
   at System.Threading.ExecutionContext.Run(ExecutionContext executionContext, ContextCallback callback, Object state)
   at System.Threading.ThreadHelper.ThreadStart()

2:38:40 PM
ThreadMonitorEvent
Thread Name:Counter thread
Thread Status:Hang
Thread Stack:   at System.Threading.WaitHandle.WaitOneNative(SafeWaitHandle waitHandle, UInt32 millisecondsTimeout, Boolean hasThreadAffinity, Boolean exitContext)
   at System.Threading.WaitHandle.WaitOne(Int64 timeout, Boolean exitContext)
   at System.Threading.WaitHandle.WaitOne(Int32 millisecondsTimeout, Boolean exitContext)
   at System.Windows.Forms.Control.WaitForWaitHandle(WaitHandle waitHandle)
   at System.Windows.Forms.Control.MarshaledInvoke(Control caller, Delegate method, Object[] args, Boolean synchronous)
   at System.Windows.Forms.Control.Invoke(Delegate method, Object[] args)
   at System.Windows.Forms.Control.Invoke(Delegate method)
   at DotNetDebug.Form1.Counter()
   at System.Threading.ThreadHelper.ThreadStart_Context(Object state)
   at System.Threading.ExecutionContext.Run(ExecutionContext executionContext, ContextCallback callback, Object state)
   at System.Threading.ThreadHelper.ThreadStart()

点击DeadCycle 按钮后，让计数器线程死循环，但主线程不死循环。

监控线程检查到计数器线程死循环后报告如下：

2:37:51 PM
ThreadMonitorEvent
Thread Name:Counter thread
Thread Status:Hang
Thread Stack:   at DotNetDebug.Form1.DoDeadCycle()
   at DotNetDebug.Form1.Counter()
   at System.Threading.ThreadHelper.ThreadStart_Context(Object state)
   at System.Threading.ExecutionContext.Run(ExecutionContext executionContext, ContextCallback callback, Object state)
   at System.Threading.ThreadHelper.ThreadStart()

2:37:52 PM
ThreadMonitorEvent
Thread Name:Counter thread
Thread Status:Hang, DeadCycle
Thread Stack:   at DotNetDebug.Form1.DoDeadCycle()
   at DotNetDebug.Form1.Counter()
   at System.Threading.ThreadHelper.ThreadStart_Context(Object state)
   at System.Threading.ExecutionContext.Run(ExecutionContext executionContext, ContextCallback callback, Object state)
   at System.Threading.ThreadHelper.ThreadStart()

下面是示例代码在

以下是测试代码。完整源码的下载位置:  完整源码  

using System;
using System.Collections.Generic;
using System.ComponentModel;
using System.Data;
using System.Drawing;
using System.Text;
using System.Windows.Forms;
using System.Threading;
using Sys.Diagnostics;

namespace DotNetDebug
{
    public partial class Form1 : Form
    {
        Thread _CounterThread;
        ThreadMonitor _ThreadMonitor = new ThreadMonitor();
        bool _DeadCycle = false;

        delegate void CounterDelegate();

        private void DoDeadCycle()
        {
            while (_DeadCycle)
            {
            }
        }

        private void Counter()
        {
            int count = 0;
            while (true)
            {
                DoDeadCycle();
                labelCounter.Invoke(new CounterDelegate(delegate() { labelCounter.Text = (count++).ToString(); }));
                _ThreadMonitor.Heartbeat(Thread.CurrentThread);

                Thread.Sleep(1000);
            }
        }

        public Form1()
        {
            InitializeComponent();
        }

        void OnThreadMonitorEvent(object sender, ThreadMonitor.ThreadMonitorEvent args)
        {
            StringBuilder sb = new StringBuilder();

            sb.AppendLine(DateTime.Now.ToLongTimeString());
            sb.AppendLine("ThreadMonitorEvent");
            sb.AppendLine("Thread Name:" + args.Name);
            sb.AppendLine("Thread Status:" + args.Status.ToString());
            sb.AppendLine("Thread Stack:" + args.StackTrace);

            using (System.IO.FileStream fs =
                new System.IO.FileStream("report.log", System.IO.FileMode.Append, 
                System.IO.FileAccess.Write))
            {
                using (System.IO.StreamWriter sw = new System.IO.StreamWriter(fs))
                {
                    sw.WriteLine(sb.ToString());
                }
            }
        }


        private void Form1_Load(object sender, EventArgs e)
        {
            _ThreadMonitor.ThradMonitorEventHandler +=
                new EventHandler<ThreadMonitor.ThreadMonitorEvent>(OnThreadMonitorEvent);

            _CounterThread = new Thread(new ThreadStart(Counter));
            _CounterThread.IsBackground = true;


            _ThreadMonitor.Register(new ThreadMonitor.MonitorParameter(
                Thread.CurrentThread, "Main thread", 10000, 5000,
                ThreadMonitor.MonitorFlag.MonitorHang |
                ThreadMonitor.MonitorFlag.MonitorDeadCycle));

            _ThreadMonitor.Register(new ThreadMonitor.MonitorParameter(
                _CounterThread, "Counter thread",
                ThreadMonitor.MonitorFlag.MonitorHang |
                ThreadMonitor.MonitorFlag.MonitorDeadCycle));

            _CounterThread.Start();

            timerHeartbeat.Interval = 1000;
            timerHeartbeat.Enabled = true;

            _ThreadMonitor.Start();
        }

        private void timerHeartBeat_Tick(object sender, EventArgs e)
        {
            _ThreadMonitor.Heartbeat(Thread.CurrentThread);
        }

        private void ButtonDeadCycle_Click(object sender, EventArgs e)
        {
            _DeadCycle = true;
        }

        private void buttonHang_Click(object sender, EventArgs e)
        {
            Thread.Sleep(20000);
        }
    }
}