偵錯 ThreadPool 耗盡

發行項
02/29/2024

本文適用於：✔️ .NET Core 3.1 與更新版本

在本教學課程中，您將了解如何對 ThreadPool 耗盡情節進行偵錯。如果集區沒有可用的執行緒來處理新的工作項目，而且通常會導致應用程式回應緩慢，則會發生 ThreadPool 耗盡。使用提供的範例 ASP.NET Core Web 應用程式，您可以刻意造成 ThreadPool 耗盡，並了解如何進行診斷。

在此教學課程中，您需要：

調查緩慢回應要求的應用程式
使用 dotnet-counters 工具來識別 ThreadPool 耗盡可能發生
使用 dotnet-stack 工具來判斷哪些工作讓 ThreadPool 執行緒保持忙碌

必要條件

教學課程使用：

建置和執行範例應用程式的 .NET Core 6.0 SDK
示範 ThreadPool 耗盡行為的範例 Web 應用程式
產生範例 Web 應用程式負載的 Bombardier
觀察效能計數器的 dotnet-counters
檢查執行緒堆疊的 dotnet-stack

執行範例應用程式

下載範例應用程式的程式碼，並使用 .NET SDK 進行建置：

E:\demo\DiagnosticScenarios>dotnet build
Microsoft (R) Build Engine version 17.1.1+a02f73656 for .NET
Copyright (C) Microsoft Corporation. All rights reserved.

  Determining projects to restore...
  All projects are up-to-date for restore.
  DiagnosticScenarios -> E:\demo\DiagnosticScenarios\bin\Debug\net6.0\DiagnosticScenarios.dll

Build succeeded.
    0 Warning(s)
    0 Error(s)

Time Elapsed 00:00:01.26

執行應用程式：

E:\demo\DiagnosticScenarios>bin\Debug\net6.0\DiagnosticScenarios.exe
info: Microsoft.Hosting.Lifetime[14]
      Now listening on: http://localhost:5000
info: Microsoft.Hosting.Lifetime[14]
      Now listening on: https://localhost:5001
info: Microsoft.Hosting.Lifetime[0]
      Application started. Press Ctrl+C to shut down.
info: Microsoft.Hosting.Lifetime[0]
      Hosting environment: Production
info: Microsoft.Hosting.Lifetime[0]
      Content root path: E:\demo\DiagnosticScenarios

如果您使用網頁瀏覽器，並將要求傳送至 https://localhost:5001/api/diagscenario/taskwait，則應該會在大約 500 毫秒之後看到所傳回的回應 success:taskwait。這會顯示網路伺服器正在如預期般提供流量。

觀察緩慢效能

示範網路伺服器有數個端點可模擬執行資料庫要求，然後將回應傳回給使用者。所有這些端點在一次提供一個要求時會有大約 500 毫秒的延遲，但在網路伺服器受限於某些負載時，效能會更差。下載 Bombardier 負載測試工具，並觀察到將 125 個並行要求傳送至每個端點時的延遲差異。

bombardier-windows-amd64.exe https://localhost:5001/api/diagscenario/taskwait
Bombarding https://localhost:5001/api/diagscenario/taskwait for 10s using 125 connection(s)
[=============================================================================================] 10s
Done!
Statistics        Avg      Stdev        Max
  Reqs/sec        33.06     234.67    3313.54
  Latency         3.48s      1.39s     10.79s
  HTTP codes:
    1xx - 0, 2xx - 454, 3xx - 0, 4xx - 0, 5xx - 0
    others - 0
  Throughput:    75.37KB/s

這個第二個端點會使用執行效能更差的程式碼模式：

bombardier-windows-amd64.exe https://localhost:5001/api/diagscenario/tasksleepwait
Bombarding https://localhost:5001/api/diagscenario/tasksleepwait for 10s using 125 connection(s)
[=============================================================================================] 10s
Done!
Statistics        Avg      Stdev        Max
  Reqs/sec         1.61      35.25     788.91
  Latency        15.42s      2.18s     18.30s
  HTTP codes:
    1xx - 0, 2xx - 140, 3xx - 0, 4xx - 0, 5xx - 0
    others - 0
  Throughput:    36.57KB/s

負載高時，這兩個端點會顯示明顯超過 500 毫秒的平均延遲 (分別為 3.48 秒和 15.42 秒)。如果您在舊版 .NET Core 上執行此範例，則可能會看到這兩個範例執行效能一樣地差。 .NET 6 已更新 ThreadPool 啟發學習法，以減少第一個範例中所使用錯誤程式碼模式的效能影響。

偵錯 ThreadPool 耗盡

如果您在真實世界服務上觀察到上述行為，則會知道低於負載而回應緩慢，但您不知道原因。 dotnet-counters 是可顯示即時效能計數器的工具。這些計數器可以提供特定問題的線索，而且通常很容易取得。在實際執行環境中，您可能會有遠端監視工具和 Web 儀表板所提供的類似計數器。安裝 dotnet-counters，並開始監視 Web 服務：

dotnet-counters monitor -n DiagnosticScenarios
Press p to pause, r to resume, q to quit.
    Status: Running

[System.Runtime]
    % Time in GC since last GC (%)                                 0
    Allocation Rate (B / 1 sec)                                    0
    CPU Usage (%)                                                  0
    Exception Count (Count / 1 sec)                                0
    GC Committed Bytes (MB)                                        0
    GC Fragmentation (%)                                           0
    GC Heap Size (MB)                                             34
    Gen 0 GC Count (Count / 1 sec)                                 0
    Gen 0 Size (B)                                                 0
    Gen 1 GC Count (Count / 1 sec)                                 0
    Gen 1 Size (B)                                                 0
    Gen 2 GC Count (Count / 1 sec)                                 0
    Gen 2 Size (B)                                                 0
    IL Bytes Jitted (B)                                      279,021
    LOH Size (B)                                                   0
    Monitor Lock Contention Count (Count / 1 sec)                  0
    Number of Active Timers                                        0
    Number of Assemblies Loaded                                  121
    Number of Methods Jitted                                   3,223
    POH (Pinned Object Heap) Size (B)                              0
    ThreadPool Completed Work Item Count (Count / 1 sec)           0
    ThreadPool Queue Length                                        0
    ThreadPool Thread Count                                        1
    Time spent in JIT (ms / 1 sec)                                 0.387
    Working Set (MB)                                              87

上述計數器是網路伺服器未提供任何要求時的範例。使用 api/diagscenario/tasksleepwait 端點再次執行 Bombardier，並持續負載 2 分鐘，因此有足夠的時間觀察效能計數器發生什麼情況。

bombardier-windows-amd64.exe https://localhost:5001/api/diagscenario/tasksleepwait -d 120s

如果沒有任何可用的執行緒來處理已排入佇列的工作項目，而且執行階段以增加 ThreadPool 執行緒數目來回應，則會發生 ThreadPool 耗盡。您應該觀察到 ThreadPool Thread Count 快速增加到機器上處理器核心數目的 2-3 倍，甚至每秒會新增 1-2 個執行緒，直到某個位置最終穩定超過 125 個。與遠小於 100% 的 CPU 使用量合併使用的 ThreadPool 執行緒速度緩慢且穩定增加，是 ThreadPool 耗盡目前是效能瓶頸的關鍵訊號。除非集區達到執行緒數目上限、所建立的執行緒足以滿足所有傳入工作項目，或 CPU 已飽和，否則將會繼續增加執行緒計數。通常，但並非一定，ThreadPool 耗盡也會顯示 ThreadPool Queue Length 的較大值和 ThreadPool Completed Work Item Count 的最低值，這表示有大量的擱置工作和少量工作正在完成。以下是執行緒計數仍在增加時的計數器範例：

Press p to pause, r to resume, q to quit.
    Status: Running

[System.Runtime]
    % Time in GC since last GC (%)                                 0
    Allocation Rate (B / 1 sec)                               24,480
    CPU Usage (%)                                                  0
    Exception Count (Count / 1 sec)                                0
    GC Committed Bytes (MB)                                       56
    GC Fragmentation (%)                                          40.603
    GC Heap Size (MB)                                             89
    Gen 0 GC Count (Count / 1 sec)                                 0
    Gen 0 Size (B)                                         6,306,160
    Gen 1 GC Count (Count / 1 sec)                                 0
    Gen 1 Size (B)                                         8,061,400
    Gen 2 GC Count (Count / 1 sec)                                 0
    Gen 2 Size (B)                                               192
    IL Bytes Jitted (B)                                      279,263
    LOH Size (B)                                              98,576
    Monitor Lock Contention Count (Count / 1 sec)                  0
    Number of Active Timers                                      124
    Number of Assemblies Loaded                                  121
    Number of Methods Jitted                                   3,227
    POH (Pinned Object Heap) Size (B)                      1,197,336
    ThreadPool Completed Work Item Count (Count / 1 sec)           2
    ThreadPool Queue Length                                       29
    ThreadPool Thread Count                                       96
    Time spent in JIT (ms / 1 sec)                                 0
    Working Set (MB)                                             152

ThreadPool 執行緒計數穩定之後，集區就不會再耗盡。但是，如果以較高的值穩定 (超過處理器核心數目的三倍)，則這通常指出應用程式碼要封鎖某些 ThreadPool 執行緒，而 ThreadPool 會使用更多的執行緒來執行以進行補償。以高執行緒計數上穩定執行，不一定會對要求延遲造成很大的影響，但如果負載隨著時間而大幅變化，或定期重新啟動應用程式，則每次 ThreadPool 可能會進入一段時間的耗盡，其中執行緒會緩慢增加，並提供不正確的要求延遲。每個執行緒也會耗用記憶體，因此減少所需的執行緒總數可提供另一個優點。

從 .NET 6 開始，已修改 ThreadPool 啟發學習法，以更快速地擴大 ThreadPool 執行緒數目，來回應特定封鎖工作 API。這些 API 仍然可以發生 ThreadPool 耗盡，但持續期間會比 .NET 舊版本更為簡短，因為執行階段回應更為快速。使用 api/diagscenario/taskwait 端點再次執行 Bombardier：

bombardier-windows-amd64.exe https://localhost:5001/api/diagscenario/taskwait -d 120s

在 .NET 6 上，您應該會觀察到集區的執行緒計數增加速度比之前還要快，然後在大量執行緒時穩定。執行緒計數增加時發生 ThreadPool 耗盡。

解決 ThreadPool 耗盡

若要消除 ThreadPool 耗盡，ThreadPool 執行緒需要保持解除封鎖狀態，才能處理傳入工作項目。不論是使用 dotnet-stack 工具，還是使用可在 Visual Studio 中檢視的 dotnet-dump 來擷取傾印，都有兩種方式可以判斷每個執行緒的用途。 dotnet-stack 可能比較快，因為會在主控台上立即顯示執行緒堆疊，但 Visual Studio 傾印偵錯提供可將框架對應至來源的較佳視覺效果、Just My Code 可以篩選出執行階段實作框架，而平行堆疊功能可以協助分組具有類似堆疊的大量執行緒。本教學課程顯示 dotnet-stack 選項。如需使用 Visual Studio 調查執行緒堆疊的範例，請參閱診斷 ThreadPool 耗盡教學課程影片。

再次執行 Bombardier，讓網路伺服器低於負載：

bombardier-windows-amd64.exe https://localhost:5001/api/diagscenario/taskwait -d 120s

然後執行 dotnet-stack 以查看執行緒堆疊追蹤：

dotnet-stack report -n DiagnosticScenarios

您應該會看到包含大量堆疊的詳細輸出，其中有許多看起來像這樣：

Thread (0x25968):
  [Native Frames]
  System.Private.CoreLib.il!System.Threading.ManualResetEventSlim.Wait(int32,value class System.Threading.CancellationToken)
  System.Private.CoreLib.il!System.Threading.Tasks.Task.SpinThenBlockingWait(int32,value class System.Threading.CancellationToken)
  System.Private.CoreLib.il!System.Threading.Tasks.Task.InternalWaitCore(int32,value class System.Threading.CancellationToken)
  System.Private.CoreLib.il!System.Threading.Tasks.Task`1[System.__Canon].GetResultCore(bool)
  DiagnosticScenarios!testwebapi.Controllers.DiagScenarioController.TaskWait()
  Anonymously Hosted DynamicMethods Assembly!dynamicClass.lambda_method1(pMT: 00007FF7A8CBF658,class System.Object,class System.Object[])
  Microsoft.AspNetCore.Mvc.Core.il!Microsoft.AspNetCore.Mvc.Infrastructure.ActionMethodExecutor+SyncObjectResultExecutor.Execute(class Microsoft.AspNetCore.Mvc.Infrastructure.IActionResultTypeMapper,class Microsoft.Extensions.Internal.ObjectMethodExecutor,class System.Object,class System.Object[])
  Microsoft.AspNetCore.Mvc.Core.il!Microsoft.AspNetCore.Mvc.Infrastructure.ControllerActionInvoker.InvokeActionMethodAsync()
  Microsoft.AspNetCore.Mvc.Core.il!Microsoft.AspNetCore.Mvc.Infrastructure.ControllerActionInvoker.Next(value class State&,value class Scope&,class System.Object&,bool&)
  Microsoft.AspNetCore.Mvc.Core.il!Microsoft.AspNetCore.Mvc.Infrastructure.ControllerActionInvoker.InvokeNextActionFilterAsync()
  Microsoft.AspNetCore.Mvc.Core.il!Microsoft.AspNetCore.Mvc.Infrastructure.ControllerActionInvoker.Next(value class State&,value class Scope&,class System.Object&,bool&)
  Microsoft.AspNetCore.Mvc.Core.il!Microsoft.AspNetCore.Mvc.Infrastructure.ControllerActionInvoker.InvokeNextActionFilterAsync()
  Microsoft.AspNetCore.Mvc.Core.il!Microsoft.AspNetCore.Mvc.Infrastructure.ControllerActionInvoker.Next(value class State&,value class Scope&,class System.Object&,bool&)
  Microsoft.AspNetCore.Mvc.Core.il!Microsoft.AspNetCore.Mvc.Infrastructure.ControllerActionInvoker.InvokeInnerFilterAsync()
  Microsoft.AspNetCore.Mvc.Core.il!Microsoft.AspNetCore.Mvc.Infrastructure.ResourceInvoker.Next(value class State&,value class Scope&,class System.Object&,bool&)
  Microsoft.AspNetCore.Mvc.Core.il!Microsoft.AspNetCore.Mvc.Infrastructure.ResourceInvoker.InvokeFilterPipelineAsync()
  Microsoft.AspNetCore.Mvc.Core.il!Microsoft.AspNetCore.Mvc.Infrastructure.ResourceInvoker.InvokeAsync()
  Microsoft.AspNetCore.Mvc.Core.il!Microsoft.AspNetCore.Mvc.Routing.ControllerRequestDelegateFactory+<>c__DisplayClass10_0.<CreateRequestDelegate>b__0(class Microsoft.AspNetCore.Http.HttpContext)
  Microsoft.AspNetCore.Routing.il!Microsoft.AspNetCore.Routing.EndpointMiddleware.Invoke(class Microsoft.AspNetCore.Http.HttpContext)
  Microsoft.AspNetCore.Authorization.Policy.il!Microsoft.AspNetCore.Authorization.AuthorizationMiddleware+<Invoke>d__6.MoveNext()
  System.Private.CoreLib.il!System.Runtime.CompilerServices.AsyncMethodBuilderCore.Start(!!0&)
  Microsoft.AspNetCore.Authorization.Policy.il!Microsoft.AspNetCore.Authorization.AuthorizationMiddleware.Invoke(class Microsoft.AspNetCore.Http.HttpContext)
  Microsoft.AspNetCore.HttpsPolicy.il!Microsoft.AspNetCore.HttpsPolicy.HttpsRedirectionMiddleware.Invoke(class Microsoft.AspNetCore.Http.HttpContext)
  Microsoft.AspNetCore.HttpsPolicy.il!Microsoft.AspNetCore.HttpsPolicy.HstsMiddleware.Invoke(class Microsoft.AspNetCore.Http.HttpContext)
  Microsoft.AspNetCore.HostFiltering.il!Microsoft.AspNetCore.HostFiltering.HostFilteringMiddleware.Invoke(class Microsoft.AspNetCore.Http.HttpContext)
  Microsoft.AspNetCore.Server.Kestrel.Core.il!Microsoft.AspNetCore.Server.Kestrel.Core.Internal.Http.HttpProtocol+<ProcessRequests>d__223`1[System.__Canon].MoveNext()
  System.Private.CoreLib.il!System.Threading.ExecutionContext.RunInternal(class System.Threading.ExecutionContext,class System.Threading.ContextCallback,class System.Object)
  System.Private.CoreLib.il!System.Runtime.CompilerServices.AsyncTaskMethodBuilder`1+AsyncStateMachineBox`1[System.Threading.Tasks.VoidTaskResult,Microsoft.AspNetCore.Server.Kestrel.Core.Internal.Http.HttpProtocol+<ProcessRequests>d__223`1[System.__Canon]].MoveNext(class System.Threading.Thread)
  System.Private.CoreLib.il!System.Threading.Tasks.AwaitTaskContinuation.RunOrScheduleAction(class System.Runtime.CompilerServices.IAsyncStateMachineBox,bool)
  System.Private.CoreLib.il!System.Threading.Tasks.Task.RunContinuations(class System.Object)
  System.IO.Pipelines.il!System.IO.Pipelines.StreamPipeReader+<<ReadAsync>g__Core|36_0>d.MoveNext()
  System.Private.CoreLib.il!System.Threading.ExecutionContext.RunInternal(class System.Threading.ExecutionContext,class System.Threading.ContextCallback,class System.Object)
  System.Private.CoreLib.il!System.Runtime.CompilerServices.AsyncTaskMethodBuilder`1+AsyncStateMachineBox`1[System.IO.Pipelines.ReadResult,System.IO.Pipelines.StreamPipeReader+<<ReadAsync>g__Core|36_0>d].MoveNext(class System.Threading.Thread)
  System.Private.CoreLib.il!System.Threading.Tasks.AwaitTaskContinuation.RunOrScheduleAction(class System.Runtime.CompilerServices.IAsyncStateMachineBox,bool)
  System.Private.CoreLib.il!System.Threading.Tasks.Task.RunContinuations(class System.Object)
  System.Private.CoreLib.il!System.Runtime.CompilerServices.AsyncTaskMethodBuilder`1[System.Int32].SetExistingTaskResult(class System.Threading.Tasks.Task`1<!0>,!0)
  System.Net.Security.il!System.Net.Security.SslStream+<ReadAsyncInternal>d__186`1[System.Net.Security.AsyncReadWriteAdapter].MoveNext()
  System.Private.CoreLib.il!System.Threading.ExecutionContext.RunInternal(class System.Threading.ExecutionContext,class System.Threading.ContextCallback,class System.Object)
  System.Private.CoreLib.il!System.Runtime.CompilerServices.AsyncTaskMethodBuilder`1+AsyncStateMachineBox`1[System.Int32,System.Net.Security.SslStream+<ReadAsyncInternal>d__186`1[System.Net.Security.AsyncReadWriteAdapter]].MoveNext(class System.Threading.Thread)
  Microsoft.AspNetCore.Server.Kestrel.Core.il!Microsoft.AspNetCore.Server.Kestrel.Core.Internal.DuplexPipeStream+<ReadAsyncInternal>d__27.MoveNext()
  System.Private.CoreLib.il!System.Threading.ExecutionContext.RunInternal(class System.Threading.ExecutionContext,class System.Threading.ContextCallback,class System.Object)
  System.Private.CoreLib.il!System.Threading.ThreadPoolWorkQueue.Dispatch()
  System.Private.CoreLib.il!System.Threading.PortableThreadPool+WorkerThread.WorkerThreadStart()

這些堆疊底部的框架指出這些執行緒是 ThreadPool 執行緒：

  System.Private.CoreLib.il!System.Threading.ThreadPoolWorkQueue.Dispatch()
  System.Private.CoreLib.il!System.Threading.PortableThreadPool+WorkerThread.WorkerThreadStart()

而接近最上層的框架會顯示執行緒在從 DiagnosticScenarioController.TaskWait() 函數呼叫 GetResultCore(bool) 時遭到封鎖：

Thread (0x25968):
  [Native Frames]
  System.Private.CoreLib.il!System.Threading.ManualResetEventSlim.Wait(int32,value class System.Threading.CancellationToken)
  System.Private.CoreLib.il!System.Threading.Tasks.Task.SpinThenBlockingWait(int32,value class System.Threading.CancellationToken)
  System.Private.CoreLib.il!System.Threading.Tasks.Task.InternalWaitCore(int32,value class System.Threading.CancellationToken)
  System.Private.CoreLib.il!System.Threading.Tasks.Task`1[System.__Canon].GetResultCore(bool)
  DiagnosticScenarios!testwebapi.Controllers.DiagScenarioController.TaskWait()

現在，您可以在範例應用程式的 Controllers/DiagnosticScenarios.cs 檔案中導覽至此控制器的程式碼，以查看其正在呼叫非同步 API，而不使用 await。這是非同步中的同步程式碼模式，這已知會封鎖執行緒，而且是 ThreadPool 耗盡最常見的原因。

public ActionResult<string> TaskWait()
{
    // ...
    Customer c = PretendQueryCustomerFromDbAsync("Dana").Result;
    return "success:taskwait";
}

在此情況下，程式碼可以立即變更為改用 async/await，如 TaskAsyncWait() 端點所示。使用 await 可讓目前執行緒在資料庫查詢進行時服務其他工作項目。資料庫查閱完成時，ThreadPool 執行緒將會繼續執行。如此一來，在每個要求期間，程式碼中不會封鎖任何執行緒：

public async Task<ActionResult<string>> TaskAsyncWait()
{
    // ...
    Customer c = await PretendQueryCustomerFromDbAsync("Dana");
    return "success:taskasyncwait";
}

執行 Bombadier 以將負載傳送至 api/diagscenario/taskasyncwait 端點時會顯示在使用 async/await 方法時，ThreadPool 執行緒計數會較少，而且平均延遲會維持接近 500 毫秒：

>bombardier-windows-amd64.exe https://localhost:5001/api/diagscenario/taskasyncwait
Bombarding https://localhost:5001/api/diagscenario/taskasyncwait for 10s using 125 connection(s)
[=============================================================================================] 10s
Done!
Statistics        Avg      Stdev        Max
  Reqs/sec       227.92     274.27    1263.48
  Latency      532.58ms    58.64ms      1.14s
  HTTP codes:
    1xx - 0, 2xx - 2390, 3xx - 0, 4xx - 0, 5xx - 0
    others - 0
  Throughput:    98.81KB/s

偵錯 ThreadPool 耗盡

必要條件

執行範例應用程式

觀察緩慢效能

偵錯 ThreadPool 耗盡

解決 ThreadPool 耗盡

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