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在调试器中看阿里的软件兵团

发表于2014-09-16 14:48| 次阅读| 来源《程序员》| 0 条评论| 作者张银奎

摘要:为了抢占用户桌面,很多客户端软件都是主动送上门的,不需要花钱购买。可能只要你一个认可,就在电脑上安家落户。住下来之后,有些软件偶尔动动,但也有些高调强势,让你不得不注意到它,本文要谈的就是这样的软件。

谁在消耗电池?

人们对手机、笔记本电脑等移动设备的依赖越来越大。一旦电池用尽而又不能立刻充电,便可能把人急得双脚跳。面对类似情况,为了让笔记本电池多支撑一会儿,我会采取两项省电措施:一是把屏幕调暗,二是杀掉特别费电的软件。第一项容易理解,略去不谈。第二项的关键是如何找到高功耗软件。一种简单的方法是调出任务管理器,通过View菜单(Windows 8之前)或者在列表的标题行(Windows 8/8.1)调出图1所示的“选择列”对话框,然后将Page faults(缺页异常总次数)和PF Delta(自上次更新后缺页异常的新增次数,默认为每秒更新一次)两项选中。接下来分别按Page faults、PF Delta和CPU使用率指标对进程排序,找出这几项指标高的进程。


图1  任务管理器的选择列对话框

为何选择Page faults来衡量软件对功耗的影响?虽然今天的计算机都配备了比较多的物理内存,但仍离不开虚拟内存技术,把暂时不用的数据放在外存中,当CPU访问这样的数据时,会报告缺页异常,让操作系统的内存管理器将数据从外存中读到物理内存,这个操作通常被称为Page In。物理内存是以页为单位来管理的,因此每次Page In的数据至少是一个页,通常为4KB。访问外存意味着系统总线和硬盘等存储设备的运作,在时间和功耗方面都是较大的开销,因此,Page faults常成为系统调优的一个重要指标。

正是使用以上方法查找高耗电高软件时,Alipay引起了我的注意。图2是当时的屏幕截图,可以看到,任务管理器中的各个进程(任务)是按Page faults总数排列的,而位列前三的分别是AlipaySecSvc、AlipayBsm和TaobaoProtect,全是Alipay软件成员。它们导致的Page faults总数分别为四亿五千多万次、一亿三千多万次和八千多万次。假定每次Page fault触发的Page In数据都是4KB,那么它们促使系统Page In的数据量分别为大约1.8TB、500GB和300GB。

另外,从PF Delta列来看,排名第一的AlipaySecSvc进程在最近一秒内就触发了2906次缺页异常。

坦率说,这样的结果让我惊叹不已。通常排在前列的都是安全软件。而自从我的机器上有了Alipay软件后,它们总是可以轻松超越杀毒软件。图2中,第6名是系统窗口合成器,第4、5、7名都是安全软件。


图2  Alipay三个进程的Page faults总数垄断前三名

因为处理每次Page fault时要执行比较复杂的逻辑,所以高Page faults也常意味着较高的CPU使用率。在图2中,AlipaySecSvc进程使用的CPU总时间高达1小时20分32秒。今天的CPU速度惊人,很多“分量”轻的软件运行一天可能也用不上CPU几秒钟(大多被挂起)。尽管AlipaySecSvc的名字中也包含安全字样(Sec),但其CPU总时间如此高也着实离谱。简而言之,这个进程的分量重得惊人。

AlipaySecSvc

那么,如此重的AlipaySecSvc进程是做什么的呢?好奇心和职业精神都驱使我深入了解这个进程。打开系统服务控制台,找到AlipaySecSvc服务,查看其属性(如图3),可以看到它的全称(Alipay security service)、官方身份和在磁盘上的位置信息。


图3  AlipaySecSvc的服务属性

根据图3中路径信息,可以在磁盘上找到Alipay目录(如图4),其下有三个子目录。根据布局可以推测,我的机器上已安装了Alipay的三个组件,分别是AliEditPlus、AlipayDHC和SafeTransaction,引起我们注意的AlipaySecSvc是AliEditPlus的一部分。看来,AliEditPlus绝不是孤军奋战,一个兵团已在我的电脑上安营扎寨了。


图4  Alipay软件的磁盘布局

图3中的描述信息声明了AlipaySecSvc服务的重要性,但同时也说明了它的职权范围是“电子支付”。既然如此,当用户未做支付操作时,AlipaySecSvc应该尽可能保持安静。但事实上,它却始终忙碌着,甚至连浏览器进程没有启动时也是如此,这便不正常了。

上调试器

不轻信,不迷信,还是请出WinDBG来看分明。以管理员身份运行WinDBG,赐予其系统级的督察权利,然后将其附加到AlipaySecSvc进程。

接下来的目标是寻找这个进程躁动的原因。如何做呢?有多种方法,例如以前介绍过的使用~*e .ttime命令观察每个线程的执行时间,再例如使用~* k命令显示每个线程的栈回溯,寻找线索。对于眼下的问题,这两种方法也都有效。但为了避免陈词滥调,这次我打算介绍种新方法。

简单说,就是让被调试对象在调试器里跑一跑,让其“自露马脚”。套用赵本山的话就是“有病没病走两步”。轻扣键盘,发出g命令,恢复AlipaySecSvc运行,端起茶杯,等待WinDBG报告“蛛丝马迹”。

手里的茶杯还没放下,WinDBG便有所发现。屏幕上出现如下信息。

(27bc.1b30): Unknown exception – code 000006ba (first chance)

看来是有真的异常(Windows系统的结构化异常SEH)发生。继续观察,WinDBG连续输出这样的信息,间隔不到一秒。根据经验,这个信息很有价值,可以作为突破口。轻按Ctrl+Break再将AlipaySecSvc断下,然后通过菜单Debug→Event Filters调出图5所示的调试事件过滤器对话框。


图5  WinDBG的调试事件过滤器对话框

因为信息输出的6ba异常不在WinDBG的常见异常列表中,所以点击Add按钮增加一个代码为0x6ba的异常。之后选中新增的项目,再点击Command按钮调出图6所示的过滤器关联命令对话框,并输入:

.echo ********bang******;? @$tid;.ttime


图6  过滤器命令

执行如上操作,再恢复AlipaySecSvc运行,让其再走些步。这时我们看到屏幕上持续输出信息,如图7所示(此图为后补,与图1不属同一次调试)。


图7  持续不断的6ba异常

在软件世界,一次异常就是一起爆炸事件。如此连续不断的爆炸必然会让CPU负担很重。

6ba异常

接下来的问题是为什么有如此多的6ba异常呢?Ctrl+Break断下,执行命令sxe 6ba告诉WinDBG再有6ba异常发生时立刻停下来。恢复运行后,果然很快又停下,位置正是6ba异常的发生现场:


看来是有人调用了著名的RaiseException API发起软件异常。是发生了什么矛盾,以至于要引爆炸弹呢?k一下看缘由吧,结果如图8所示。

细看图8,关注本专栏的读者一定可以看出个“破绽”,符号不精确。是的,诚然老雷偷懒了,没有使用PDB号,只用了导出符号。但对于我们的分析,这样的信息足够了。因为其中包含了以下重要内容:

  • AlipaySecSvc服务调用了WTSEnumerate­Sessions API。
  • WTSEnumerateSessionsW函数(WTS­Enumerate­Sessions API的Unicode版本实现)使用了RPC机制在做远程调用。
  • RPC机制的运行时模块(rpcrpt4)检测到不正常情况,“大为关火”,抛出了异常。

有了这些信息,已没必要探究RPC检测到了何种意外,因为我们有了如下结论:AlipaySecSvc服务调用了一个依赖RPC机制的沉重API,而且API执行不顺利,导致了异常。

根据前面的监视结果(见图7),6ba异常是反复发生的,说明这个沉重的过程也是在循环进行。对wtsapi32!WTSEnumerateSessionsW设置断点,果然反复命中,还不止一个线程命中断点,居然有多个线程在调用这个沉重的API和触发异常。从其中的线程ID来看,也有两个(6960和1032)。综合前面的分析,可以对AlipaySecSvc服务进程的躁动原因做出初步诊断:多个线程循环调用沉重的WTSEnumerateSessions API,而且执行时触发异常。


图8  追索爆炸原因

对于性能问题,也可用WPT帮忙。它的全称是Windows Performance Toolkit,曾用名xPerf。安装完成后,先启动WPR(Windows Performance Recorder),让其开启系统中早已埋伏好的ETW(Event Tracing for Windows)事件,重现问题后,停止录制,WPR会把收集到的事件整理到一个庞大的etl文件中。最后再使用WPA(Windows Performance Analyzer)打开etl文件进行分析。

详细介绍WPA的用法超出了本文的范围,这里只做简述。

图9是使用WPA分析CPU占用情况的截图。重点看右侧的采样数据。画面以曲线图为核心分三个部分,下面的表格是详细数据,左上角是进程、模块列表,可选择其中的一个或多个,每个对应一条曲线。我们故意屏蔽了其他进程,只显示AlipaySecSvc的曲线。

每个尖峰代表一次较重的负载(占用CPU较多)。尖峰反复出现说明这些负载是周期性的,与我们前面分析的在循环中反复调用沉重API的结论完全一致。尖峰的幅度不很一致,是因为有多个线程在执行重负荷,发生和叠加的时机不同。

再观察图9中的详细数据,可以看到进程内部模块和函数一级的信息。WPA已根据模块的样本点数做过排序(点数越多,意味着占用CPU越多),内核模块排名第一,说明AlipaySecSvc进程做了多次系统调用,进一步还可发现有一个线程反复分配大堆块和调用NtQuerySystemInformation。

展开函数一级的信息,可以看到占用CPU较多的函数。例如在kernel32.dll模块下,Process32­NextW赫然在列。这告诉我们,AlipaySecSvc除了调用沉重的WTSEnumerate­Sessions API外,还调用了另一个沉重的API Process32­Next。前者枚举系统中的所有登录会话,而后者枚举会话中的进程。据此,我们可以推测,AlipaySecSvc的循环中,先是枚举会话,然后再枚举会话中的每个进程。笔者多年前就分析过Process32Next API,得到的结论是,这个API与缺页异常密切相关,几乎每次调用,都会触发数百次的缺页异常。而我们正分析的AlipaySecSvc进程,有两个线程在以循环的方式反复调用这个API,其结果就是本文开头说的累计缺页异常数排名第一。


图9  使用WPA分析CPU占用情况

API的分量

使用同样的方法分析缺页异常总数排名第二和第三的Alipaybsm(Browser Safe Monitor)以及TaobaoProtect,结果与此相似,或许它们三兄弟在共享循环调用沉重API的经典代码吧,也可能它们都出自一位同行之手。

普通世界中的商品都明确标识重量。这个基本属性非常重要,尤其在今天的网购时代,买家可能根据重量判断货物的质量,卖家很可能根据重量计算运输(快递)成本。但在软件世界中,标记代码的重量还没有任何规范,甚至尚无测量代码重量的标准方法。更严重的是,很多程序员同行会认为,代码有什么重量呢?

如果说为所有普通函数标记重量还为时过早,那么给操作系统的标准API标识重量该排上议事日程了。这不仅必要而且可行。例如用可能引发的系统调用次数、跨进程调用的次数、触发缺页异常的次数等指标来衡量API的重量。标记之后,程序员就有所依据,避免频繁调用太重的API,尤其不要在当前没有明确任务的进程中调用这些沉重的API,以免白白消耗电池,让用户反感。

话说回来,关键问题还在于写代码的程序员,即使标记重量了,程序员可能也置之不理。不标记重量,有经验的程序员也心中有数。退一步讲,本文讨论的问题,只要打开任务管理器就能察觉,挂一下WinDBG更容易发现,运行WPT也可以发现,但为什么问题就这样发生了呢?

作者张银奎,《软件调试》和《格蠹汇编》作者,从事软件开发和研究十余年,对IA-32架构、操作系统内核、虚拟技术,尤其对软件调试有较深入的研究。微博ID:@dbgger

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