PerfView专题 (第十篇)：洞察 C# 终结队列引发的内存泄漏

一：背景

C# 程序内存泄漏的诱发因素有很多，但从顶层原理上来说，就是该销毁的 用户根 对象没有被销毁，从而导致内存中意料之外的对象无限堆积，导致内存暴涨，最终崩溃，这其中的一个用户根就是 终结器队列，这一篇我们就来看下如何让 PerfView 配合 WinDbg 双剑合璧。

二：如何洞察

1. 终结器内存泄漏

为了模拟 终结器内存泄漏，我们故意在 析构函数 中执行复杂的逻辑，让析构过程足够的慢,这样可以实现 分配速度 远大于 销毁速度 ，达到消费能力不足引发的内存暴涨， 参考如下代码：

    internal class Program
    {
        static void Main(string[] args)
        {
            Task.Run(Add);

            Console.ReadLine();
        }

        static void Add()
        {
            for (int i = 0; i < 1000000; i++)
            {
                var person = new Person() { Name = $"jack{i}", Age = i };
            }
        }
    }

    public class Person
    {
        public string Name { get; set; }
        public int Age { get; set; }
        ~Person()
        {
            Thread.Sleep(new Random().Next(0,3000));
            Console.WriteLine($"name={Name} 已析构了哦 ...");
        }
    }

当分配操作结束后，用 WinDbg 附加到进程中，使用 !fq 查看内存情况,输出如下：

0:015> !fq
SyncBlocks to be cleaned up: 0
Free-Threaded Interfaces to be released: 0
MTA Interfaces to be released: 0
STA Interfaces to be released: 0
----------------------------------
generation 0 has 28423 finalizable objects (000000001BF5B108->000000001BF92940)
generation 1 has 4 finalizable objects (000000001BF5B0E8->000000001BF5B108)
generation 2 has 21 finalizable objects (000000001BF5B040->000000001BF5B0E8)
Ready for finalization 971560 objects (000000001BF92940->000000001C6FC280)
Statistics for all finalizable objects (including all objects ready for finalization):
              MT    Count    TotalSize Class Name
00007ffdbaa2f410        4           96 System.WeakReference
00007ffdbaa4f368        2          112 System.Threading.ThreadPoolWorkQueueThreadLocals
00007ffdbaa4c640        1          168 System.Diagnostics.Tracing.FrameworkEventSource
00007ffdbaa417b8        1          168 System.Diagnostics.Tracing.NativeRuntimeEventSource
00007ffdbaa4a158        1          176 System.Threading.Tasks.TplEventSource
00007ffdbaa05650        3          216 System.Threading.Thread
00007ffdbaa240a8        1          320 System.Diagnostics.Tracing.RuntimeEventSource
00007ffdbaa24ac8        8          896 System.Diagnostics.Tracing.EventSource+OverideEventProvider
00007ffdbaa4fb58   999987     31999584 ConsoleApp2.Person
Total 1000008 objects

从上面的 Ready for finalization 971560 objects 中可以看到，当前有 9.7w 的对象正在排队等待 Finalizer 线程执行，既然它可以执行，为什么执行这么慢呢？ 这时候就需要调查下 Finalizer Thread 此时正在干嘛。

0:001> !t
ThreadCount:      7
UnstartedThread:  0
BackgroundThread: 6
PendingThread:    0
DeadThread:       0
Hosted Runtime:   no
                                                                                                            Lock  
 DBG   ID     OSID ThreadOBJ           State GC Mode     GC Alloc Context                  Domain           Count Apt Exception
   0    1     4f98 000000000058C270    2a020 Preemptive  0000000000000000:0000000000000000 00000000005814e0 1     MTA 
   5    2     3f4c 000000001AA94090  202b220 Preemptive  00000000088A9D60:00000000088A9FD0 00000000005814e0 0     MTA (Finalizer) 
   7    3     24b8 000000001AA986D0  102a220 Preemptive  0000000000000000:0000000000000000 00000000005814e0 0     MTA (Threadpool Worker) 
  11    4     5520 000000000056F580  1029220 Preemptive  00000000088A5100:00000000088A5FD0 00000000005814e0 0     MTA (Threadpool Worker) 
  12    5     1004 000000001AB26160  1029220 Preemptive  0000000000000000:0000000000000000 00000000005814e0 0     MTA (Threadpool Worker) 
  13    6     58a8 000000001B6D35D0    21220 Preemptive  0000000000000000:0000000000000000 00000000005814e0 0     Ukn 
  14    7      5b8 000000001B650820  1029220 Preemptive  0000000000000000:0000000000000000 00000000005814e0 0     MTA (Threadpool Worker) 
0:001> ~~[3f4c]s
ntdll!NtDelayExecution+0x14:
00007ffe`8908c634 c3              ret
0:005> !clrstack 
OS Thread Id: 0x3f4c (5)
        Child SP               IP Call Site
000000001ACEF868 00007ffe8908c634 [HelperMethodFrame: 000000001acef868] System.Threading.Thread.SleepInternal(Int32)
000000001ACEF960 00007ffe19f0c46b System.Threading.Thread.Sleep(Int32) [/_/src/System.Private.CoreLib/src/System/Threading/Thread.CoreCLR.cs @ 259]
000000001ACEF990 00007ffdba986e15 ConsoleApp2.Person.Finalize() [D:\net6\ConsoleApp1\ConsoleApp2\Program.cs @ 31]
000000001ACEFCE0 00007ffe1a4a6c06 [DebuggerU2MCatchHandlerFrame: 000000001acefce0] 

从输出中可以看到，终结器线程正在 Sleep() 函数，如果你有源码的话，可以看下 ConsoleApp2.Person.Finalize() 中的具体业务逻辑，如果没有源码的话，可以使用 !U 00007ffdba986e15 反汇编下方法源码。

0:005> !U 00007ffdba986e15
Normal JIT generated code
ConsoleApp2.Person.Finalize()
ilAddr is 00000000023920E0 pImport is 0000000002FFF460
Begin 00007FFDBA986DA0, size e9

D:\net6\ConsoleApp1\ConsoleApp2\Program.cs @ 31:
00007ffd`ba986dd4 48b998b4a6bafd7f0000 mov rcx,7FFDBAA6B498h (MT: System.Random)
00007ffd`ba986dde e85d0ab25f      call    coreclr!JIT_TrialAllocSFastMP_InlineGetThread (00007ffe`1a4a7840)
00007ffd`ba986de3 488945f8        mov     qword ptr [rbp-8],rax
00007ffd`ba986de7 488b4df8        mov     rcx,qword ptr [rbp-8]
00007ffd`ba986deb e848fdffff      call    00007ffd`ba986b38 (System.Random..ctor(), mdToken: 00000000060015AB)
00007ffd`ba986df0 488b4df8        mov     rcx,qword ptr [rbp-8]
00007ffd`ba986df4 33d2            xor     edx,edx
00007ffd`ba986df6 41b8b80b0000    mov     r8d,0BB8h
00007ffd`ba986dfc 488b45f8        mov     rax,qword ptr [rbp-8]
00007ffd`ba986e00 488b00          mov     rax,qword ptr [rax]
00007ffd`ba986e03 488b4040        mov     rax,qword ptr [rax+40h]
00007ffd`ba986e07 ff5030          call    qword ptr [rax+30h]
00007ffd`ba986e0a 8945f4          mov     dword ptr [rbp-0Ch],eax
00007ffd`ba986e0d 8b4df4          mov     ecx,dword ptr [rbp-0Ch]
00007ffd`ba986e10 e833e7feff      call    00007ffd`ba975548 (System.Threading.Thread.Sleep(Int32), mdToken: 0000000006001CD5)
>>> 00007ffd`ba986e15 90              nop

D:\net6\ConsoleApp1\ConsoleApp2\Program.cs @ 32:
00007ffd`ba986e16 488b0c25f0305d12 mov     rcx,qword ptr [125D30F0h] ("name=")
00007ffd`ba986e1e 48894de8        mov     qword ptr [rbp-18h],rcx
00007ffd`ba986e22 488b4d10        mov     rcx,qword ptr [rbp+10h]
00007ffd`ba986e26 e89dcfffff      call    00007ffd`ba983dc8 (ConsoleApp2.Person.get_Name(), mdToken: 0000000006000004)
00007ffd`ba986e2b 488945e0        mov     qword ptr [rbp-20h],rax
00007ffd`ba986e2f 4c8b0425f8305d12 mov     r8,qword ptr [125D30F8h] ("")
00007ffd`ba986e37 488b4de8        mov     rcx,qword ptr [rbp-18h]
00007ffd`ba986e3b 488b55e0        mov     rdx,qword ptr [rbp-20h]
00007ffd`ba986e3f e864d7feff      call    00007ffd`ba9745a8 (System.String.Concat(System.String, System.String, System.String), mdToken: 0000000006000705)
00007ffd`ba986e44 488945d8        mov     qword ptr [rbp-28h],rax
00007ffd`ba986e48 488b4dd8        mov     rcx,qword ptr [rbp-28h]
00007ffd`ba986e4c e8cf99ffff      call    00007ffd`ba980820 (System.Console.WriteLine(System.String), mdToken: 0000000006000081)
00007ffd`ba986e51 90              nop
00007ffd`ba986e52 90              nop
00007ffd`ba986e53 eb00            jmp     00007ffd`ba986e55
00007ffd`ba986e55 488bcc          mov     rcx,rsp
00007ffd`ba986e58 e808000000      call    00007ffd`ba986e65 (ConsoleApp2.Person.Finalize(), mdToken: 0000000006000008)
00007ffd`ba986e5d 90              nop

D:\net6\ConsoleApp1\ConsoleApp2\Program.cs @ 33:
00007ffd`ba986e5e 90              nop
00007ffd`ba986e5f 488d6500        lea     rsp,[rbp]
00007ffd`ba986e63 5d              pop     rbp
00007ffd`ba986e64 c3              ret

最终我们找到了问题原因，在真实项目中肯定不会这么简单的，往往会执行一个复杂的逻辑，接下来我们就有一个好奇点了，那个 复杂的逻辑 会大概执行多久呢？

因为 dump 只是一个静态快照，所以从 dump 中寻找的路子就封死了，那有没有方案呢？ 肯定有啦，让 PerfView 大威天龙。

2. Finalize() 到底有多慢

在 CoreCLR 中有一些监控 Finalizer Thread 线程的 ETW 事件，具体是：

1）FinalizersStart 事件
2）FinalizerObject 事件
3）FinalizersStop 事件

当一个对象准备析构时，会触发 FinalizerObject ETW事件，所以观察对象之间的析构间隔，大概就能看出大致的 耗费时间。

知道原理之后，接下来打开 PerfView，使用默认设置，启用 Collect -> Collect 收集，然后把应用程序跑起来，运行一段时间后，点击 Stop Collection ，在生成的 zip 面板中点击 Event ，搜索 Finalize 关键词，截图如下：

从图中可以看到，TypeName 列都是 Person 对象，而且从 Time MSec 时间戳上可以观察到 Person 和 Person 之间相隔 s 级以上，起码说明析构函数 执行真的很慢。