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一文讲解端线程死循环的治理
 
 
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 2024-4-26
 
编辑推荐:
本文介绍了钉钉 Android 团队死循环检测工具建设的思路和典型案例的修复历程。希望通过此次分享,对同样面临类似死循环问题的团队能够有所启发。
本文来自于微信公众号阿里云开发者,由火龙果软件Linda编辑、推荐。

引言

钉钉作为一个用户数超 7 亿,服务企业与组织数超过了 2500 万的企业级智能办公平台,终端团队一直将打造极致用户体验作为我们的理念。对于 Android 设备来说,线程死循环问题可能会导致高耗电,界面卡顿,耗尽内存等性能问题。与此同时,死循环问题还具有隐蔽性高,黑盒测试无法感知的特点。针对潜在的线程死循环风险我们进行了专项的治理优化。

本文旨在介绍钉钉 Android 团队死循环检测工具建设的思路和典型案例的修复历程。希望通过此次分享,对同样面临类似死循环问题的团队能够有所启发。

术语表

线程死循环检测机制

线程死循环检测是一项复杂的任务。死循环可以在代码的任何地方发生,从简单的逻辑错误到复杂的系统原因,均可能会导致死循环。因此检测并诊断此类问题相当困难。

钉钉自研的 ANRCanary 监控工具,基于死循环线程高 CPU 占用和堆栈相似的两个特点,实现了精准的死循环检测能力。

获取线程 CPU 占用比

通过读取 Android 系统 proc 目录下面的 stat 文件可以获取进程和线程的 CPU 耗时,如下所示:

进程的 stat 信息

进程 ID 为:11162

进程用户态 CPU 耗时 101, 内核态 CPU 耗时 51 。

对于死循环来说,CPU 的占用主要体现在用户态,所以我们只关注用户态的 CPU 占用比就好。

主线程的 stat 信息

主线程的线程 ID 为 11162, 与进程 ID 相同。

主线程用户态 CPU 耗时 12, 内核态 CPU 耗时 8 。则主线程用户态 CPU 占用比为:12 / 101 = 12%

子线程 Jit thread pool 的 stat 信息

子线程的线程 ID 为:11168,与进程 ID 不相同。

子线程用户态和内核态 CPU 耗时均为 0 ,则该子线程用户态 CPU 占用比为:0% 。

如果想计算一段时间区域内的各线程 CPU 占用比,只需要根据进程和线程的 CPU 耗时差值,计算即可得出。

通常可以将 CPU 占用比超过 10% 的线程标记为高耗时线程。

堆栈比较方案

死循环线程还有一个特点就是当出现一个循环点时,线程堆栈的底部是永远相同的。

以查询历史数据过多的数据库而导致死循环的案例堆栈为例:

如上图所示,针对该线程在一定时间间隔内抓的三个堆栈,可以发现堆栈的相似度很高,则可以将其作为死循环的重点怀疑对象。

CPU 占用和堆栈比较相结合

起因

CPU 占用方案:基于 stat 文件可以知道一个线程占了比较高的 CPU ,但是有效信息只有线程名, 对应不上代码,因此很难分析出耗 CPU 的根因。

堆栈比较方案:能够拿到堆栈信息,但是当线程发生阻塞时(比如读 IO 或跨进程通信),堆栈相似度也很高,因此误报率比较高。

因此唯有将两个方案结合起来,才能比较准确地拿到高 CPU 占用线程的堆栈信息,从而大大提高检测结果的可分析性。

结合方案

结合的关键点为:线程名。因为两个方案输出的信息均包含线程名,因此可以用线程名进行关联匹配。

如上图所示,完整版本的死循环线程检测机制详细说明如下:

首先是线程 CPU 占用比获取阶段

先基于 stat 文件获取进程和线程的 CPU 耗时。

等待一段时间后,再次抓取进程和线程 CPU 耗时。

计算所有线程的 CPU 耗时,超过阈值,则认为属于高 CPU 线程。如果没有这类线程,则结束检测流程。

保存所有的高 CPU 线程的相关信息,留给下一个阶段使用。

其次是堆栈比较阶段

获取所有的 Java 线程对象列表,并进行遍历。

先对 Java 线程进行高 CPU 线程名匹配,如果匹配不中,不会进行堆栈比较,直接移除。

在一定时间内,针对剩余线程连续抓几次堆栈进行堆栈比较,堆栈相似度低于阈值的线程会被移除。

最后是输出检测结果通过筛选的线程就是疑似发生死循环的线程。

将 CPU 占用比信息与线程堆栈信息合并之后,输出检测结果。

实际案例分享

钉钉团队将以上解决方案整合进 ANRCanary 组件,完成线程死循环检测能力的建设。下文将通过几个典型案例,介绍钉钉在线程死循环问题治理上取得的收益。

案例 1:多线程操作 HashMap 线程死循环

本案例涉及 Java 中一个经典的死循环问题,即在多线程环境中操作 HashMap 有可能触发无限循环的情况。

ANRCanary 抓到的上报信息如下:


{
   "case:1420548922":{
      "name":"DThread-2",
       "threadCPURate":0.*,
       "threadStackList":[
         "java.util.HashMap.put(HashMap.java:425)",
          "fde.f(SourceFile:299)",
         "iwx$1.doAfter(SourceFile:57)",
         "prw.parseData(SourceFile:23)",
         "prv.a(SourceFile:18)",
         "pru$1.run(SourceFile:56)",
         "com.***.threadpool.TaskRunner.call(SourceFile:750)",
          "java.lang.Thread.run(Thread.java:762)"
   ]
},
    "case:1961205280":{
       "name":"DThread-19",
       "threadCPURate":0.*,
      "threadStackList":[
         "java.util.HashMap.put(HashMap.java:425)",
         "fde.f(SourceFile:299)",
         "iwx$1.doAfter(SourceFile:57)",
         "prw.parseData(SourceFile:23)",
         "psc.a(SourceFile:342)",
         "com.***.im.cl.a(SourceFile:100)",
         "prz.query(SourceFile:2628)",
         "psh$12.onExecuteRpc(SourceFile:244)",
         "pri$1.run(SourceFile:143)",
         "com.***.threadpool.TaskRunner.call(SourceFile:750)",
          "java.lang.Thread.run(Thread.java:762)"
      ]
   }
}

 

从死循环信息来看:

两个线程堆栈均为高 CPU 线程,且最后都是在操作 HashMap。很明显是踩到了 HashMap 多线程不安全的这个坑。

将对应 HashMap 的使用改为 ConcurrentHashMap 之后,该问题得到解决。

案例 2:Lottie 动画后台未停止导致高 CPU 消耗

ANRCanary 抓到的上报信息如下:


"case:-1056518995":{
   "name":"main",
   "threadCPURate":0.*,
   "threadStackList":[
         "com.airbnb.lottie.LottieAnimationView.invalidateDrawable(SourceFile:189)",
      "com.airbnb.lottie.LottieDrawable.invalidateSelf(SourceFile:261)",
      "lb.onValueChanged(SourceFile:100)",
         "com.airbnb.lottie.animation.keyframe.BaseKeyframeAnimation.b(SourceFile:60)",
       "nj.a(SourceFile:427)",
      "com.airbnb.lottie.LottieDrawable$1.onAnimationUpdate(SourceFile:103)",
      "pb.c(SourceFile:88)",
"pd.doFrame(SourceFile:96)",
      "android.view.Choreographer$CallbackRecord.run(Choreographer.java:785)",
      "android.view.Choreographer.doFrame(Choreographer.java:568)",
        "android.os.Handler.dispatchMessage(Handler.java:95)",
      "android.os.Looper.loop(Looper.java:136)",
      "android.app.ActivityThread.main(ActivityThread.java:5336)",
      "com.android.internal.os.ZygoteInit.main(ZygoteInit.java:689)"
   ]
}

 

从死循环信息来看:

发生死循环的是主线程。

主线程相对于整个 APP 进程,CPU 占用量很高。

从堆栈看是因为 Lottie 动画导致的。

经过本地验证发现确实存在切换到后台 Lottie 依然在执行动画的问题。

原因是因为钉钉使用的 Lottie 版本太低导致,升级 Lottie 版本之后该问题得到解决。

案例 3:属性动画泄露导致高 CPU 消耗

初步分析

ANRCanary 抓到的上报信息如下:


"case:-647468375":{
    "name":"main",
   "threadCPURate":0.*,
   "threadStackList":[
      "android.graphics.drawable.LayerDrawable.setAlpha(LayerDrawable.java:1364)",
      "android.animation.ObjectAnimator.animateValue(ObjectAnimator.java:990)",
      "android.animation.ValueAnimator.animateBasedOnTime(ValueAnimator.java:1349)",
      "android.animation.ValueAnimator.doAnimationFrame(ValueAnimator.java:1481)",
      "android.animation.AnimationHandler.doAnimationFrame(AnimationHandler.java:146)",
      "android.animation.AnimationHandler$1.doFrame(AnimationHandler.java:54)",
      "android.view.Choreographer.doCallbacks(Choreographer.java:1047)",
      "android.view.Choreographer.doFrame(Choreographer.java:914)",
      "android.os.Handler.dispatchMessage(Handler.java:100)",
      "android.os.Looper.loop(Looper.java:214)",
      "android.app.ActivityThread.main(ActivityThread.java:7659)",
      "com.android.internal.os.ZygoteInit.main(ZygoteInit.java:938)"
   ]
}

 

从死循环信息来看:

死循环发生在主线程。

主线程相对于整个进程,CPU 占用率非常高,大量抢占了子线程的 CPU 时间片。

堆栈里没有业务堆栈,因此暂时无法定位到问题代码。只能看出是发生了属性动画泄露,需要增加监控能力。

监控能力增强

ANRCanary 在感知到发生属性动画泄露以后,需要将发生泄露的属性动画揪出来。大致方案为:

从系统 AnimationHandler 类入手,获取到当前运行中的属性动画实例列表。

从属性动画实例中提取关键信息,并附加到 ANRCanary 日志中上报。

能力增强后的 ANRCanary 抓到的上报信息如下


"case:-647468375":{
   "attachInfo":{
       "animatorList":[
      {
          "duration":1200,
          "propertyList":[
         {
            "clazz":"IntPropertyValuesHolder",
            "message":"alpha: 25 255 "
         }
      ],
      "repeatCount":-1,
      "target":"android.graphics.drawable.LayerDrawable",
            "viewPath":"TextView:recording|RelativeLayout:0|RelativeLayout:0"
      },
       ...
   },
   "name":"main",
   "threadCPURate":0.*,
   "threadStackList":[
      "android.graphics.drawable.LayerDrawable.setAlpha(LayerDrawable.java:1364)",
      "android.animation.ObjectAnimator.animateValue(ObjectAnimator.java:990)",
      "android.animation.ValueAnimator.animateBasedOnTime(ValueAnimator.java:1349)",
      "android.animation.ValueAnimator.doAnimationFrame(ValueAnimator.java:1481)",
      "android.animation.AnimationHandler.doAnimationFrame(AnimationHandler.java:146)",
      "android.animation.AnimationHandler$1.doFrame(AnimationHandler.java:54)",
      "android.view.Choreographer.doCallbacks(Choreographer.java:1047)",
      "android.view.Choreographer.doFrame(Choreographer.java:914)",
      "android.os.Handler.dispatchMessage(Handler.java:100)",
      "android.os.Looper.loop(Looper.java:214)",
      "android.app.ActivityThread.main(ActivityThread.java:7659)",
      "com.android.internal.os.ZygoteInit.main(ZygoteInit.java:938)"
   ]
}

 

从附加信息来看,泄露的属性动画为:

duration:该动画时长为 1200 毫秒。

propertyList:

clazz:属性值的类型为 int 。

message:属性名为 alpha,属性变化值为从 25 到 255。

repeatCount:循环次数为 -1 ,即无限循环永远不停止,难怪会发生泄露。

target:alpha 属性所属的对象类型为:LayerDrawable 。

viewPath:

LayerDrawable 所属的 View 类型为 TextView。

该 TextView 的 viewId 为 recording 。

该 TextView 的父辈节点均为 RelativeLayout 类型。

基于 viewId 、动画时长、属性变化值等信息,快速定位到问题代码,确认了导致泄露的原因并修复。

案例 4:定时任务执行异常导致死循环

本案例为一个隐蔽且复杂的死循环问题,解决过程极具挑战性,耗时甚长。

初步分析

ANRCanary 抓到的上报信息如下:


"case:-2147483648":{
   "name":"Timer-0",
   "threadCPURate":0.*,
   "threadStackList":[
      "android.os.MessageQueue.enqueueMessage(MessageQueue.java:577)",
      "android.os.Handler.enqueueMessage(Handler.java:662)",
      "android.os.Handler.sendMessageAtTime(Handler.java:631)",
      "android.os.Handler.sendMessageDelayed(Handler.java:601)",
      "android.os.Handler.postDelayed(Handler.java:429)",
      "de.executor(SourceFile:31)",
      "tm.query(SourceFile:268)",
      "mk.start(SourceFile:166)",
      "mk$1.run(SourceFile:93)",
      "java.util.TimerThread.mainLoop(Timer.java:555)",
      "java.util.TimerThread.run(Timer.java:505)"
   ]
}

 

从死循环信息来看:

发生死循环的线程名为:Timer-0 。

该线程相对于整个进程,CPU 占用率也很高。

死循环的原因看起来是某个消息队列被打满导致。

因为 Handler 的消息队列被打满之后,每次 postDelayed 调用都要执行一次插入排序遍历整个队列。

监控能力增强

经过翻阅代码,确认代码中有一个周期性任务。周期性任务的实现方式采用的是 Java 提供的 Timer 类。正常情况下应该不会导致消息队列被打满才对。

ANRCanary 在感知到消息队列疑似被打满以后,需要收集更多信息来进行确认情况。大致方案为:

获取当前进程全部的线程对象,逐个遍历。

如果线程为 HandlerThread 类及其子类,则包含有消息队列,可以尝试获取其消息队列长度。

如果消息队列长度超过一定阈值,则可以判定为消息队列被打满。

对消息队列中的消息进行遍历聚合,分析出 Top 级消息内容。

允许存在多个线程的消息队列被打满的情况。

能力增强后的 ANRCanary 抓到的上报信息如下:


"case:-2147483648":{
    "attachInfo":{
      "messageQueueList":[
         {
            "repeatRate":1,
            "repeatSignature":"android.os.Handler|jlh",
            "threadName":"TaskHandlerThread",
            "totalCount":****
      }
]
    },
   "name":"Timer-0",
   "threadCPURate":0.*,
   "runTime":***,
   "threadStackList":[
      "android.os.MessageQueue.enqueueMessage(MessageQueue.java:577)",
      "android.os.Handler.enqueueMessage(Handler.java:662)",
      "android.os.Handler.sendMessageAtTime(Handler.java:631)",
      "android.os.Handler.sendMessageDelayed(Handler.java:601)",
      "android.os.Handler.postDelayed(Handler.java:429)",
      "de.executor(SourceFile:31)",
      "tm.query(SourceFile:268)",
      "mk.start(SourceFile:166)",
      "mk$1.run(SourceFile:93)",
      "java.util.TimerThread.mainLoop(Timer.java:555)",
      "java.util.TimerThread.run(Timer.java:505)"
   ]
}

 

从附加信息来看:

repeatRate:消息队列重复率为 100%,说明均为同一类消息。

repeatSignature:重复消息的 Runnable 类型混淆后为:jlh,确实为监控模块的周期性任务。

threadName:消息队列所属的线程名为:TaskHandlerThread

totalCount:消息队列长度远远超出正常消息队列的长度,确实被打满。

runTime:进程存活时长并不大。正常消息队列应该只有几条消息,而不应该被打满。

看来 Timer 的间隔能力确实失效了,死循环问题是真实存在的。

最终定位

对于 Timer 的运行机制进行深入分析以后发现问题:


private void mainLoop() {
    while (true) {
      TimerTask task;
      boolean taskFired;
      long currentTime, executionTime;
      // 1.从运行队列中获取头部的周期性任务
       task = queue.getMin();
      // 2.获取系统时间(关键点!!!)
      currentTime = System.currentTimeMillis();
      // 3.获取周期性任务期望执行时间
      executionTime = task.nextExecutionTime;
      taskFired = executionTime <= currentTime;
      // 4.用两个时间的比较结果,决定是否执行周期性任务
      if (taskFired) {
      task.run();
      }
   }
}

 

如以上代码片段第 9 行所示,Timer 的间隔时间是基于系统时间戳的。也就是说,修改手机系统时间会影响 Timer 周期性任务的执行。

写一个简单的 Demo 验证以后得出结论:

如果往前修改系统时间,周期性任务将停止执行。

如果往后修改系统时间,间隔时间会失效,周期性任务开始连续不停地执行。

至此终于定位到该死循环的根因。修改方案就是把 Timer 替换为 ScheduleExecutorService 来实现周期性任务,将不受系统时间变更的影响。

总结

长久以来,线程死循环问题经常是偶现的,比较隐蔽难以发现,钉钉自研的 ANRCanary 通过将高 CPU 占用和堆栈比较相结合的方案,突破了线程死循环问题感知难,定位难的瓶颈。通过该监控能力,团队持续对潜在风险进行优化治理,线程死循环问题基本得到根治。

提升用户体验是一条漫漫长路,唯有从点滴做起,方能逐步做到卓越。

   
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