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記一次 .NET 某娛樂聊天流平臺 CPU 爆高分析

2022-10-24 12:02:43

一：背景

1.講故事

前段時間有位朋友加微信，說他的程式直接 CPU=100%，每次只能手工介入重啟，讓我幫忙看下到底怎麼回事，哈哈，這種CPU打滿的事故，程式設計師壓力會非常大, 我讓朋友在 CPU 高的時候抓 2 個 dump 下來，然後發給我分析。

二：WinDbg 分析

1. CPU 真的被打滿了嗎？

為了防止南轅北轍，一定要用 !tp 命令去驗證下是不是真的 CPU 爆高。


0:000> !tp
CPU utilization: 100%
Worker Thread: Total: 21 Running: 7 Idle: 0 MaxLimit: 32767 MinLimit: 4
Work Request in Queue: 3
    AsyncTimerCallbackCompletion TimerInfo@00000000042d2430
    AsyncTimerCallbackCompletion TimerInfo@00000000042d2f90
    AsyncTimerCallbackCompletion TimerInfo@000000000420c150
--------------------------------------
Number of Timers: 0
--------------------------------------
Completion Port Thread:Total: 18 Free: 9 MaxFree: 8 CurrentLimit: 18 MaxLimit: 1000 MinLimit: 4

從卦中看確實 100%，太牛了，而且 WorkRequest 還有任務堆積現象，確認無疑後，接下來看下是誰引發的？

2. 誰導致的 CPU 爆高

根據慣例首先懷疑是不是 GC 觸發所致，可以用 !t 檢視下執行緒列表，觀察下有沒有 GC 字樣。


:000> !t
ThreadCount:      53
UnstartedThread:  0
BackgroundThread: 53
PendingThread:    0
DeadThread:       0
Hosted Runtime:   no
                                                                                                        Lock  
       ID OSID ThreadOBJ           State GC Mode     GC Alloc Context                  Domain           Count Apt Exception
   4    1 1240 00000000021cdf30    2a220 Preemptive  0000000000000000:0000000000000000 00000000021d94c0 0     MTA 
  23    2 4db4 00000000041cdaa0    2b220 Preemptive  0000000000000000:0000000000000000 00000000021d94c0 0     MTA (Finalizer) 
  ...
  65  156 22f4 000000000b1a3f60  8029220 Preemptive  00000004527751F0:0000000452775EE8 00000000021d94c0 0     MTA (Threadpool Completion Port) 
  66  205 2ef8 000000000b1a1080  8029220 Preemptive  0000000157641DE0:00000001576435B0 00000000021d94c0 0     MTA (Threadpool Completion Port) 
  ...

從卦中看沒有 GC 字樣，也表明這個程式並不是由 GC 觸發所致，接下來該怎麼排查呢？ 一般來說 CPU 的爆高是由執行緒擡起來的，所以接下來就是看下 CPU 的檔次和各個執行緒棧，看有沒有什麼新線索, 可以使用 ~*e !clrstack 。


0:000> !cpuid
CP  F/M/S  Manufacturer     MHz
 0  6,79,1  <unavailable>   2299
 1  6,79,1  <unavailable>   2299
 2  6,79,1  <unavailable>   2299
 3  6,79,1  <unavailable>   2299

0:000> ~*e !clrstack 
OS Thread Id: 0x2cc4 (68)
        Child SP               IP Call Site
000000000c14e758 00007ffadeb86e4a [GCFrame: 000000000c14e758] 
000000000c14e840 00007ffadeb86e4a [GCFrame: 000000000c14e840] 
000000000c14e878 00007ffadeb86e4a [HelperMethodFrame: 000000000c14e878] System.Threading.Monitor.Enter(System.Object)
000000000c14e970 00007ffaceb40491 System.Net.ConnectionGroup.Disassociate(System.Net.Connection) [f:\dd\NDP\fx\src\net\System\Net\_ConnectionGroup.cs @ 148]
000000000c14e9d0 00007ffaceb3fc93 System.Net.Connection.PrepareCloseConnectionSocket(System.Net.ConnectionReturnResult ByRef) [f:\dd\NDP\fx\src\net\System\Net\_Connection.cs @ 3048]
000000000c14eaa0 00007ffacf139bfb System.Net.Connection.HandleError(Boolean, Boolean, System.Net.WebExceptionStatus, System.Net.ConnectionReturnResult ByRef) [f:\dd\NDP\fx\src\net\System\Net\_Connection.cs @ 3119]
000000000c14eb00 00007ffacebc4118 System.Net.Connection.ReadComplete(Int32, System.Net.WebExceptionStatus) [f:\dd\NDP\fx\src\net\System\Net\_Connection.cs @ 3387]
000000000c14eb80 00007ffacebe3dc5 System.Net.LazyAsyncResult.Complete(IntPtr) [f:\dd\NDP\fx\src\net\System\Net\_LazyAsyncResult.cs @ 415]
000000000c14ebe0 00007ffacebe3d07 System.Net.LazyAsyncResult.ProtectedInvokeCallback(System.Object, IntPtr) [f:\dd\NDP\fx\src\net\System\Net\_LazyAsyncResult.cs @ 368]
000000000c14ec20 00007ffacf3a476f System.Net.Security._SslStream.StartFrameBody(Int32, Byte[], Int32, Int32, System.Net.AsyncProtocolRequest)
000000000c14ec80 00007ffacebb3ed8 System.Net.Security._SslStream.ReadHeaderCallback(System.Net.AsyncProtocolRequest) [f:\dd\NDP\fx\src\net\System\Net\SecureProtocols\_SslStream.cs @ 1007]
000000000c14ece0 00007ffacebae5ee System.Net.AsyncProtocolRequest.CompleteRequest(Int32) [f:\dd\NDP\fx\src\net\System\Net\SecureProtocols\_HelperAsyncResults.cs @ 142]
000000000c14ed10 00007ffacf3a3567 System.Net.FixedSizeReader.CheckCompletionBeforeNextRead(Int32)
000000000c14ed40 00007ffacebae507 System.Net.FixedSizeReader.ReadCallback(System.IAsyncResult) [f:\dd\NDP\fx\src\net\System\Net\SecureProtocols\_FixedSizeReader.cs @ 148]
000000000c14ed90 00007ffacebe3dc5 System.Net.LazyAsyncResult.Complete(IntPtr) [f:\dd\NDP\fx\src\net\System\Net\_LazyAsyncResult.cs @ 415]
000000000c14edf0 00007ffadcbe3a63 System.Threading.ExecutionContext.RunInternal(System.Threading.ExecutionContext, System.Threading.ContextCallback, System.Object, Boolean) [f:\dd\ndp\clr\src\BCL\system\threading\executioncontext.cs @ 954]
000000000c14eec0 00007ffadcbe38f4 System.Threading.ExecutionContext.Run(System.Threading.ExecutionContext, System.Threading.ContextCallback, System.Object, Boolean) [f:\dd\ndp\clr\src\BCL\system\threading\executioncontext.cs @ 902]
000000000c14eef0 00007ffadcbe38c2 System.Threading.ExecutionContext.Run(System.Threading.ExecutionContext, System.Threading.ContextCallback, System.Object) [f:\dd\ndp\clr\src\BCL\system\threading\executioncontext.cs @ 891]
000000000c14ef40 00007ffaceba60cf System.Net.ContextAwareResult.Complete(IntPtr) [f:\dd\NDP\fx\src\net\System\Net\_ContextAwareResult.cs @ 463]
000000000c14ef90 00007ffacebe3d07 System.Net.LazyAsyncResult.ProtectedInvokeCallback(System.Object, IntPtr) [f:\dd\NDP\fx\src\net\System\Net\_LazyAsyncResult.cs @ 368]
000000000c14efd0 00007ffaceba5e2f System.Net.Sockets.BaseOverlappedAsyncResult.CompletionPortCallback(UInt32, UInt32, System.Threading.NativeOverlapped*) [f:\dd\NDP\fx\src\net\System\Net\Sockets\_BaseOverlappedAsyncResult.cs @ 399]
000000000c14f040 00007ffadcc2ffef System.Threading._IOCompletionCallback.PerformIOCompletionCallback(UInt32, UInt32, System.Threading.NativeOverlapped*) [f:\dd\ndp\clr\src\BCL\system\threading\overlapped.cs @ 135]
000000000c14f1f0 00007ffade9a6d93 [GCFrame: 000000000c14f1f0] 

OS Thread Id: 0x5d6c (70)
        Child SP               IP Call Site
000000000943e920 00007ffacf139bfb System.Net.Connection.HandleError(Boolean, Boolean, System.Net.WebExceptionStatus, System.Net.ConnectionReturnResult ByRef) 

OS Thread Id: 0x4ad4 (75)
        Child SP               IP Call Site
...
000000000c94e5a0 00007ffacf139bfb System.Net.Connection.HandleError(Boolean, Boolean, System.Net.WebExceptionStatus, System.Net.ConnectionReturnResult ByRef)
...

OS Thread Id: 0x1d70 (80)
        Child SP               IP Call Site
...
000000000d24e3a0 00007ffacf139bfb System.Net.Connection.HandleError(Boolean, Boolean, System.Net.WebExceptionStatus, System.Net.ConnectionReturnResult ByRef) [f:\dd\NDP\fx\src\net\System\Net\_Connection.cs @ 3119]
...

從執行緒棧上看，這個 CPU 是 4個核，剛好對應著 4 個 HandleError 報錯，看樣子是什麼網路出問題了，接下來切到 80 號執行緒看一下有沒有什麼異常類。


0:000> ~80s
clr!AwareLock::Contention+0x194:
00007ffa`deb86e40 4883e801        sub     rax,1
0:080> !mdso
Thread 80:
Location          Object            Type
------------------------------------------------------------
000000000d24e098  000000015765e028  System.Net.WebException
000000000d24e0f8  0000000340b07110  System.Collections.ArrayList
000000000d24e110  000000015765e2b8  System.Net.HttpWebRequest[]
000000000d24e1c0  0000000340b070b8  System.Net.ConnectionGroup
000000000d24e258  0000000144a79678  System.Net.Connection

0:080> !mdt 000000015765e028
000000015765e028 (System.Net.WebException)
    _className:NULL (System.String)
    _exceptionMethod:NULL (System.Reflection.MethodBase)
    _exceptionMethodString:NULL (System.String)
    _message:000000015765df70 (System.String) Length=77, String="The underlying connection was closed: The connection was closed unexpectedly."
    ...

果然看到了 System.Net.WebException, 從異常資訊看貌似是 連線關閉了，到這裡我就有了一個大膽的猜測，是不是高頻的異常輸出導致的 CPU 爆高呢？ 為了驗證，可以到託管堆上找下 WebException 的個數。


0:080> !dumpheap -stat
Statistics:
              MT    Count    TotalSize Class Name
...
00007ffacecc38b0    13315      2343440 System.Net.WebException
00007ffadcdf6570    11369      1909992 System.IO.IOException
00007ffadcdf5fb8    13380      2247840 System.ObjectDisposedException
...

看到這麼多異常還是挺嚇人的，剛好朋友抓了兩個dump可以做個比較。


0:048> !dumpheap -stat
Statistics:
              MT    Count    TotalSize Class Name
00007ffacecc38b0    26745      4707120 System.Net.WebException
00007ffadcdf6570    26722      4489296 System.IO.IOException
00007ffadcdf5fb8    28745      4829160 System.ObjectDisposedException

可以看到，2 min 之內異常增加了合計 4w 左右，這就驗證了程式確實是瘋狂的拋異常，在 Windows 平臺上不管是硬體異常還是軟體異常都由 Windows SEH 例外處理框架統一處理，會出現使用者態和核心態的切換，這樣瘋狂的丟擲，必然會導致 CPU 爆高，終於找到原因了，接下來就是尋找誘發因素。

3. 異常是誰誘發的

再回頭看 HandleError 函數的呼叫棧都是底層的庫函數，從執行緒棧的 PerformIOCompletionCallback 函數來看是 IO執行緒 誘發的，能被 IO 執行緒兜到是因為這是做了非同步處理，既然是 非同步，自然 OverlappedData 也會非常多。


0:080> !gchandles -stat
Statistics:
              MT    Count    TotalSize Class Name
00007ffadc6f7b98    14511      1625232 System.Threading.OverlappedData
Total 17550 objects

Handles:
    Strong Handles:       426
    Pinned Handles:       23
    Async Pinned Handles: 14511
    Ref Count Handles:    24
    Weak Long Handles:    2430
    Weak Short Handles:   132
    SizedRef Handles:     4

說明此時有大概 1.5w 的非同步請求待回頭，請求量還是蠻大的，但還是沒找到異常的使用者程式碼，只能找下到底是誰發起了什麼請求。


0:080> !mdso
Thread 80:
Location          Object            Type
------------------------------------------------------------
...
000000000d24e488  0000000358c57918  System.Net.HttpWebRequest
000000000d24e2e8  00000001407b5b40  System.String  "net_io_readfailure"
...

0:080> !mdt -r:2 0000000358c57918
0000000358c57918 (System.Net.HttpWebRequest)
    _Uri:0000000358c57210 (System.Uri)
        m_String:00000002407ee430 (System.String) Length=98, String="https://api.xxxx/peer_messages"
        ....

可以看到請求的連線是 https://api.xxxx/peer_messages，是一個第三方的API介面， 由於底層的連線關閉，導致了最後 net_io_readfailure。

把所有的資訊整合一下就是：

當請求量大了之後，存取 https://api.xxxx/peer_messages 會出問題，對方關閉了底層連線，導致使用者端這邊請求出現了大量 IO 回撥異常：IOException: Unable to read data from the transport connection: The connection was closed.，2min之間多達合計 4w 的異常丟擲，進而引發 CPU 爆高，將資訊告訴了朋友，讓朋友重點關注下 https://api.xxxx/peer_messages 這個連線。

三： 總結

這次生產事故主要是由於高峰期請求量過大，由於某種原因 Socket 連線關閉，導致了大量的非同步回撥異常。

解決方法在呼叫端做好限流，據朋友說減少了不必要的 https://api.xxxx/peer_messages 呼叫，目前沒有出現 CPU 爆高現象。

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