Net 高级调试之十四：线程同步的基础知识和常见的同步原语
一、介绍
今天是《Net 高级调试》的第十四篇文章，这篇文章我们主要介绍和线程相关的内容，当然不是教你如何去写多线程，更不会介绍多线程的使用方法和API，今天，我们主要讲一下锁，一说到多线程，就会有并发的问题，也可以说是线程安全的问题，锁是没有办法避开的一个话题。我们今天不讲锁的使用方法，主要是关注锁的底层实现原理，是如何实现的，让我们做到知其一，也要知其二，这些是 Net 框架的底层，了解更深，对于我们调试更有利。当然了，第一次看视频或者看书，是很迷糊的，不知道如何操作，还是那句老话，一遍不行，那就再来一遍，还不行，那就再来一遍，俗话说的好，书读千遍，其意自现。
如果在没有说明的情况下，所有代码的测试环境都是 Net Framewok 4.8，但是，有时候为了查看源码，可能需要使用 Net Core 的项目，我会在项目章节里进行说明。好了，废话不多说，开始我们今天的调试工作。
调试环境我需要进行说明，以防大家不清楚，具体情况我已经罗列出来。
操作系统：Windows Professional 10
调试工具：Windbg Preview（可以去Microsoft Store 去下载）
开发工具：Visual Studio 2022
Net 版本：Net Framework 4.8
CoreCLR源码：源码下载
二、基础知识
1、线程同步原语
1.1、C# Thread 的表示。
我们在C# 程序中书写一个 Thread 线程类，其实，在背后会做很多事情，比如在 CLR 层会有一个对应的线程类生成，同时操作系统层也会有一个数据结构与之对应，所以说，我们简简单单声明一个 Thread 类，会有三个数据结构来承载。
a）、C# 层的 Thread。
C# 中的 Thread 类，其实是对 CLR 层 Thread 线程类的封装，在 C# Thread 类的定义中，会有一个 private IntPtr DONT_USE_InternalThread 实例字段，该字段就是引用的 CLR 层的线程指针引用。
b）、CLR 层的 Thread
Net Core 是开源的，所以是可以看到 CLR 线程 Thread 的定义。类名是：Thread.cpp，Net 5、6、7、8都可以看。
c）、OS 层的 KThread。
操作系统层的线程对象是通过 _KThread 来表示的。
2、事件原语
2.1、AutoResetEvent 和 ManulResetEvent（内核锁）
事件同步的本质实在内核态维护了一个 bool 值，通过 bool 值来实现线程间的同步，具体的使用方法网上很多，我这里就不过多的赘述了，这里我们看看是如何通过 bool 值的变化实现线程间的同步的。
2.2、Semaphore（内核锁）
AutoResetEvent、ManulResetEvent 维护的是 bool 类型的值，信号量本质上就是维护了一个 int 值，这就是两者的区别，我们可以使用 Windbg 来查看一下 waitHandle 的值，可以发现 Semaphore 的 Count 的值在不断的变化。
2.3、Monitor（混合锁-内核锁）
监视器是由 C# 中的 AwareLock 实现的，底层是基于 AutoResetEvent 机制，可以参见 coreclr 源码。因为 Monitor 是基于对象头的同步块索引来实现的，我们可以查看对象头的数据结构就可以明白了。
2.4、ThinLock（用户态锁）
【瘦锁】也是 CLR 基于【对象头】实现的一种轻量级的自旋锁，没有和内核态交互，所以性能非常高，这种实现的方式就是将【持有锁】线程的 Id 存在在对象头中，如果【对象头】中存不下就会转换成 Monitor 锁。
三、源码调试
废话不多说，这一节是具体的调试过程，又可以说是眼见为实的过程，在开始之前，我还是要啰嗦两句，这一节分为两个部分，第一部分是测试的源码部分，没有代码，当然就谈不上测试了，调试必须有载体。第二部分就是根据具体的代码来证实我们学到的知识，是具体的眼见为实。
1、调试源码
1.1、Example_14_1_1
1 using System;
2 using System.Threading;
3
4 namespace Example_14_1_1
5 {
6 internal class Program
7 {
8 static void Main(string[] args)
9 {
10 var thread = new Thread(() =>
11 {
12 Console.WriteLine($"tid={Environment.CurrentManagedThreadId}");
13 Console.ReadLine();
14 });
15
16 thread.Start();
17
18 Console.ReadLine();
19 }
20 }
21 }
1.2、Example_14_1_2
1 using System;
2 using System.Diagnostics;
3 using System.Threading;
4
5 namespace Example_14_1_2
6 {
7 internal class Program
8 {
9 public static ManualResetEvent mre = new ManualResetEvent(false);
10
11 static void Main(string[] args)
12 {
13 Console.WriteLine($"mre 默认为 false，即等待状态，请查看！");
14 Debugger.Break();
15
16 mre.Set();
17 Console.WriteLine($"mre 默认为 true，即放行状态，请查看！");
18 Debugger.Break();
19
20 mre.Reset();
21 Console.WriteLine($"mre Reset后为 false，即等待状态，请查看！");
22 Debugger.Break();
23 }
24 }
25 }
1.3、Example_14_1_3
1 using System;
2 using System.Diagnostics;
3 using System.Threading;
4
5 namespace Example_14_1_3
6 {
7 internal class Program
8 {
9 public static Semaphore sem = new Semaphore(1, 10);
10 static void Main(string[] args)
11 {
12 for (int i = 0; i < int.MaxValue; i++)
13 {
14 sem.Release();
15 Console.WriteLine("查看当前的 sem 值。");
16 Debugger.Break();
17 }
18 }
19 }
20 }
1.4、Example_14_1_4（Net 7.0）
1 using System.Diagnostics;
2
3 namespace Example_14_1_4_Core
4 {
5 internal class Program
6 {
7 public static Person person = new Person();
8
9 static void Main(string[] args)
10 {
11 Task.Run(() =>
12 {
13 lock (person)
14 {
15 Console.WriteLine($"{Environment.CurrentManagedThreadId} 已进入 Person 锁中111111");
16 Debugger.Break();
17 }
18 });
19 Task.Run(() =>
20 {
21 lock (person)
22 {
23 Console.WriteLine($"{Environment.CurrentManagedThreadId} 已进入 Person 锁中222222");
24 Debugger.Break();
25 }
26 });
27 Console.ReadLine();
28 }
29 }
30
31 public class Person
32 {
33 }
34 }
1.5、Example_14_1_5
1 using System;
2 using System.Diagnostics;
3 using System.Threading.Tasks;
4
5 namespace Example_14_1_5
6 {
7 internal class Program
8 {
9 public static Person person = new Person();
10
11 static void Main(string[] args)
12 {
13 Task.Run(() =>
14 {
15 lock (person)
16 {
17 Console.WriteLine($"{Environment.CurrentManagedThreadId} 已进入 Person 锁中");
18 Debugger.Break();
19 }
20 });
21 Console.ReadLine();
22 }
23 }
24
25 public class Person
26 {
27 }
28 }
2、眼见为实
2.1、我们查看 C# Thread 线程所对应的 OS 层的数据结构表示。
调试源码：Example_14_1_1
这个项目调试的方法是不一样的，在这里，我们直接打开Debug 目录下的 EXE 应用程序，直接双击运行程序，程序启动成功，在控制台中输出：tid=3，这个值大家可能不一样。程序运行成功，就产生了一个线程对象。我们想要查看内核态线程的id，需要在借助一个【ProcessExplorer】工具，这个工具有32位和64位两个版本，根据自己系统特特性选择合适的版本，我选择的是64位版本的。效果如图：
程序运行起来如下：
接着，我们在过【通过名称过滤（Filter by name）】中输入我们项目的名称：Example_14_1_1，来进程查找。效果如图：
我们在找到的进程上双击破，打开新窗口，如图：
我们找到了我们项目进程的主键线程编号，然后就可以使用 Windbg 查看内核态的线程表示了。我们主线程的编号是：1204，这个是十进制的，要注意。
然后，我们打开 Windbg，点击【File】-->【Attach to kernel（附加内核态）】，在右侧选择【local】，就是本机的内核态，点击【ok】按钮，进入调试界面。然后，我们使用【process】命令查找一下我们的项目。
1 lkd> !process 0 2 Example_14_1_1.exe
2 PROCESS ffff9004b47eb080
3 SessionId: 1 Cid: 3a0c Peb: 00322000 ParentCid: 24bc
4 DirBase: 36353c002 ObjectTable: ffffc6096ce7b180 HandleCount: 194.
5 Image: Example_14_1_1.exe
6
7 THREAD ffff9004b64d2080 Cid 3a0c.04b4 Teb: 0000000000324000 Win32Thread: ffff9004b7232db0 WAIT: (Executive) KernelMode Alertable
8 ffff9004b7310e68 NotificationEvent
9
10 THREAD ffff9004b42e70c0 Cid 3a0c.0fb8 Teb: 000000000032d000 Win32Thread: 0000000000000000 WAIT: (UserRequest) UserMode Non-Alertable
11 ffff9004b7352ae0 SynchronizationEvent
12 ffff9004b7352760 SynchronizationEvent
13 ffff9004b73524e0 SynchronizationEvent
14
15 THREAD ffff9004b6b4f100 Cid 3a0c.3ab8 Teb: 0000000000330000 Win32Thread: 0000000000000000 WAIT: (UserRequest) UserMode Non-Alertable
16 ffff9004a72b2b20 NotificationEvent
17 ffff9004b7352660 SynchronizationEvent
18 ffff9004b4d35a90 SynchronizationEvent
19
20 THREAD ffff9004b63ea080 Cid 3a0c.318c Teb: 0000000000333000 Win32Thread: 0000000000000000 WAIT: (UserRequest) UserMode Alertable
21 ffff9004b7353560 SynchronizationEvent
他会把这个进程中的所有线程找出来。然后，我们点击【break】按钮，我们通过【ProcessExploler】看到我们项目的主线程是：1204，这个值是十进制的，我们看看十六进制是多少。
1 lkd> ?0n1204
2 Evaluate expression: 1204 = 00000000`000004b4
然后，我们使用04b4查找一下，效果如图：
ffff9004b64d2080 这个值就是线程的内核态的数据结构，我们可以继续使用【dt】命令查看一下详情。
1 lkd> dt nt!_KThread ffff9004b64d2080
2 +0x000 Header : _DISPATCHER_HEADER
3 +0x018 SListFaultAddress : (null)
4 +0x020 QuantumTarget : 0x9c1aedd
5 +0x028 InitialStack : 0xfffff48b`1c777c50 Void
6 +0x030 StackLimit : 0xfffff48b`1c771000 Void
7 +0x038 StackBase : 0xfffff48b`1c778000 Void
8 +0x040 ThreadLock : 0
9 +0x048 CycleTime : 0x766fe16
10 +0x050 CurrentRunTime : 0
11 +0x054 ExpectedRunTime : 0x589722
12 +0x058 KernelStack : 0xfffff48b`1c777570 Void
13 +0x060 StateSaveArea : 0xfffff48b`1c777c80 _XSAVE_FORMAT
14 +0x068 SchedulingGroup : (null)
15 +0x070 WaitRegister : _KWAIT_STATUS_REGISTER
16 +0x071 Running : 0 ''
17 +0x072 Alerted : [2] ""
18 +0x074 AutoBoostActive : 0y1
19 +0x074 ReadyTransition : 0y0
20 +0x074 WaitNext : 0y0
21 +0x074 SystemAffinityActive : 0y0
22 +0x074 Alertable : 0y1
23 +0x074 UserStackWalkActive : 0y0
24 +0x074 ApcInterruptRequest : 0y0
25 +0x074 QuantumEndMigrate : 0y0
26 +0x074 UmsDirectedSwitchEnable : 0y0
27 +0x074 TimerActive : 0y0
28 +0x074 SystemThread : 0y0
29 +0x074 ProcessDetachActive : 0y0
30 +0x074 CalloutActive : 0y0
31 +0x074 ScbReadyQueue : 0y0
32 +0x074 ApcQueueable : 0y1
33 +0x074 ReservedStackInUse : 0y0
34 +0x074 UmsPerformingSyscall : 0y0
35 +0x074 TimerSuspended : 0y0
36 +0x074 SuspendedWaitMode : 0y0
37 +0x074 SuspendSchedulerApcWait : 0y0
38 +0x074 CetUserShadowStack : 0y0
39 +0x074 BypassProcessFreeze : 0y0
40 +0x074 Reserved : 0y0000000000 (0)
41 +0x074 MiscFlags : 0n16401
42 +0x078 ThreadFlagsSpare : 0y00
43 +0x078 AutoAlignment : 0y1
44 +0x078 DisableBoost : 0y0
45 +0x078 AlertedByThreadId : 0y0
46 +0x078 QuantumDonation : 0y1
47 +0x078 EnableStackSwap : 0y1
48 +0x078 GuiThread : 0y1
49 +0x078 DisableQuantum : 0y0
50 +0x078 ChargeOnlySchedulingGroup : 0y0
51 +0x078 DeferPreemption : 0y0
52 +0x078 QueueDeferPreemption : 0y0
53 +0x078 ForceDeferSchedule : 0y0
54 +0x078 SharedReadyQueueAffinity : 0y1
55 +0x078 FreezeCount : 0y0
56 +0x078 TerminationApcRequest : 0y0
57 +0x078 AutoBoostEntriesExhausted : 0y1
58 +0x078 KernelStackResident : 0y1
59 +0x078 TerminateRequestReason : 0y00
60 +0x078 ProcessStackCountDecremented : 0y0
61 +0x078 RestrictedGuiThread : 0y0
62 +0x078 VpBackingThread : 0y0
63 +0x078 ThreadFlagsSpare2 : 0y0
64 +0x078 EtwStackTraceApcInserted : 0y00000000 (0)
65 +0x078 ThreadFlags : 0n205028
66 +0x07c Tag : 0 ''
67 +0x07d SystemHeteroCpuPolicy : 0 ''
68 +0x07e UserHeteroCpuPolicy : 0y0001000 (0x8)
69 +0x07e ExplicitSystemHeteroCpuPolicy : 0y0
70 +0x07f RunningNonRetpolineCode : 0y0
71 +0x07f SpecCtrlSpare : 0y0000000 (0)
72 +0x07f SpecCtrl : 0 ''
73 +0x080 SystemCallNumber : 0x1a0006
74 +0x084 ReadyTime : 1
75 +0x088 FirstArgument : 0x00000000`00000094 Void
76 +0x090 TrapFrame : 0xfffff48b`1c777ac0 _KTRAP_FRAME
77 +0x098 ApcState : _KAPC_STATE
78 +0x098 ApcStateFill : [43] "???"
79 +0x0c3 Priority : 9 ''
80 +0x0c4 UserIdealProcessor : 2
81 +0x0c8 WaitStatus : 0n256
82 +0x0d0 WaitBlockList : 0xffff9004`b64d21c0 _KWAIT_BLOCK
83 +0x0d8 WaitListEntry : _LIST_ENTRY [ 0x00000000`00000000 - 0xffff9004`b1e95158 ]
84 +0x0d8 SwapListEntry : _SINGLE_LIST_ENTRY
85 +0x0e8 Queue : (null)
86 +0x0f0 Teb : 0x00000000`00324000 Void
87 +0x0f8 RelativeTimerBias : 0
88 +0x100 Timer : _KTIMER
89 +0x140 WaitBlock : [4] _KWAIT_BLOCK
90 +0x140 WaitBlockFill4 : [20] "p???"
91 +0x154 ContextSwitches : 0xee
92 +0x140 WaitBlockFill5 : [68] "p???"
93 +0x184 State : 0x5 ''
94 +0x185 Spare13 : 0 ''
95 +0x186 WaitIrql : 0 ''
96 +0x187 WaitMode : 0 ''
97 +0x140 WaitBlockFill6 : [116] "p???"
98 +0x1b4 WaitTime : 0x780fc
99 +0x140 WaitBlockFill7 : [164] "p???"
100 +0x1e4 KernelApcDisable : 0n-1
101 +0x1e6 SpecialApcDisable : 0n0
102 +0x1e4 CombinedApcDisable : 0xffff
103 +0x140 WaitBlockFill8 : [40] "p???"
104 +0x168 ThreadCounters : (null)
105 +0x140 WaitBlockFill9 : [88] "p???"
106 +0x198 XStateSave : (null)
107 +0x140 WaitBlockFill10 : [136] "p???"
108 +0x1c8 Win32Thread : 0xffff9004`b7232db0 Void
109 +0x140 WaitBlockFill11 : [176] "p???"
110 +0x1f0 Ucb : (null)
111 +0x1f8 Uch : (null)
112 +0x200 ThreadFlags2 : 0n0
113 +0x200 BamQosLevel : 0y00000000 (0)
114 +0x200 ThreadFlags2Reserved : 0y000000000000000000000000 (0)
115 +0x204 Spare21 : 0
116 +0x208 QueueListEntry : _LIST_ENTRY [ 0x00000000`00000000 - 0x00000000`00000000 ]
117 +0x218 NextProcessor : 0
118 +0x218 NextProcessorNumber : 0y0000000000000000000000000000000 (0)
119 +0x218 SharedReadyQueue : 0y0
120 +0x21c QueuePriority : 0n0
121 +0x220 Process : 0xffff9004`b47eb080 _KPROCESS
122 +0x228 UserAffinity : _GROUP_AFFINITY
123 +0x228 UserAffinityFill : [10] "???"
124 +0x232 PreviousMode : 1 ''
125 +0x233 BasePriority : 8 ''
126 +0x234 PriorityDecrement : 0 ''
127 +0x234 ForegroundBoost : 0y0000
128 +0x234 UnusualBoost : 0y0000
129 +0x235 Preempted : 0 ''
130 +0x236 AdjustReason : 0 ''
131 +0x237 AdjustIncrement : 0 ''
132 +0x238 AffinityVersion : 0x28
133 +0x240 Affinity : _GROUP_AFFINITY
134 +0x240 AffinityFill : [10] "???"
135 +0x24a ApcStateIndex : 0 ''
136 +0x24b WaitBlockCount : 0x1 ''
137 +0x24c IdealProcessor : 2
138 +0x250 NpxState : 5
139 +0x258 SavedApcState : _KAPC_STATE
140 +0x258 SavedApcStateFill : [43] "???"
141 +0x283 WaitReason : 0 ''
142 +0x284 SuspendCount : 0 ''
143 +0x285 Saturation : 0 ''
144 +0x286 SListFaultCount : 0
145 +0x288 SchedulerApc : _KAPC
146 +0x288 SchedulerApcFill0 : [1] "??????"
147 +0x289 ResourceIndex : 0x1 ''
148 +0x288 SchedulerApcFill1 : [3] "???"
149 +0x28b QuantumReset : 0x6 ''
150 +0x288 SchedulerApcFill2 : [4] "???"
151 +0x28c KernelTime : 3
152 +0x288 SchedulerApcFill3 : [64] "???"
153 +0x2c8 WaitPrcb : (null)
154 +0x288 SchedulerApcFill4 : [72] "???"
155 +0x2d0 LegoData : (null)
156 +0x288 SchedulerApcFill5 : [83] "???"
157 +0x2db CallbackNestingLevel : 0 ''
158 +0x2dc UserTime : 0
159 +0x2e0 SuspendEvent : _KEVENT
160 +0x2f8 ThreadListEntry : _LIST_ENTRY [ 0xffff9004`b42e73b8 - 0xffff9004`b47eb0b0 ]
161 +0x308 MutantListHead : _LIST_ENTRY [ 0xffff9004`b64d2388 - 0xffff9004`b64d2388 ]
162 +0x318 AbEntrySummary : 0x3e '>'
163 +0x319 AbWaitEntryCount : 0 ''
164 +0x31a AbAllocationRegionCount : 0 ''
165 +0x31b SystemPriority : 0 ''
166 +0x31c SecureThreadCookie : 0
167 +0x320 LockEntries : 0xffff9004`b64d26d0 _KLOCK_ENTRY
168 +0x328 PropagateBoostsEntry : _SINGLE_LIST_ENTRY
169 +0x330 IoSelfBoostsEntry : _SINGLE_LIST_ENTRY
170 +0x338 PriorityFloorCounts : [16] ""
171 +0x348 PriorityFloorCountsReserved : [16] ""
172 +0x358 PriorityFloorSummary : 0
173 +0x35c AbCompletedIoBoostCount : 0n0
174 +0x360 AbCompletedIoQoSBoostCount : 0n0
175 +0x364 KeReferenceCount : 0n0
176 +0x366 AbOrphanedEntrySummary : 0 ''
177 +0x367 AbOwnedEntryCount : 0x1 ''
178 +0x368 ForegroundLossTime : 0
179 +0x370 GlobalForegroundListEntry : _LIST_ENTRY [ 0x00000000`00000001 - 0x00000000`00000000 ]
180 +0x370 ForegroundDpcStackListEntry : _SINGLE_LIST_ENTRY
181 +0x378 InGlobalForegroundList : 0
182 +0x380 ReadOperationCount : 0n12
183 +0x388 WriteOperationCount : 0n0
184 +0x390 OtherOperationCount : 0n293
185 +0x398 ReadTransferCount : 0n27743
186 +0x3a0 WriteTransferCount : 0n0
187 +0x3a8 OtherTransferCount : 0n9406
188 +0x3b0 QueuedScb : (null)
189 +0x3b8 ThreadTimerDelay : 0
190 +0x3bc ThreadFlags3 : 0n0
191 +0x3bc ThreadFlags3Reserved : 0y00000000 (0)
192 +0x3bc PpmPolicy : 0y00
193 +0x3bc ThreadFlags3Reserved2 : 0y0000000000000000000000 (0)
194 +0x3c0 TracingPrivate : [1] 0
195 +0x3c8 SchedulerAssist : (null)
196 +0x3d0 AbWaitObject : (null)
197 +0x3d8 ReservedPreviousReadyTimeValue : 0
198 +0x3e0 KernelWaitTime : 0xe
199 +0x3e8 UserWaitTime : 0
200 +0x3f0 GlobalUpdateVpThreadPriorityListEntry : _LIST_ENTRY [ 0x00000000`00000001 - 0x00000000`00000000 ]
201 +0x3f0 UpdateVpThreadPriorityDpcStackListEntry : _SINGLE_LIST_ENTRY
202 +0x3f8 InGlobalUpdateVpThreadPriorityList : 0
203 +0x400 SchedulerAssistPriorityFloor : 0n0
204 +0x404 Spare28 : 0
205 +0x408 EndPadding : [5] 0
大家感兴趣的，可以打开看看，内容还是不少的。
当然，我们也可以通过 Windbg 直接查看了，我们的项目正在执行中，所以我们可以通过【Attach to process】进入调试界面，然后，通过【!t】或者【!threads】命令，查看线程三者的对应关系。
1 0:004> !t
2 ThreadCount: 3
3 UnstartedThread: 0
4 BackgroundThread: 1
5 PendingThread: 0
6 DeadThread: 0
7 Hosted Runtime: no
8 Lock
9 ID OSID ThreadOBJ State GC Mode GC Alloc Context Domain Count Apt Exception
10 0 1 4b4 00696b10 2a020 Preemptive 02506254:00000000 006903d0 1 MTA
11 2 2 3ab8 00698df8 2b220 Preemptive 00000000:00000000 006903d0 0 MTA (Finalizer)
12 3 3 318c 006ee308 202b020 Preemptive 0250501C:00000000 006903d0 0 MTA
13 0:004> !threads
14 ThreadCount: 3
15 UnstartedThread: 0
16 BackgroundThread: 1
17 PendingThread: 0
18 DeadThread: 0
19 Hosted Runtime: no
20 Lock
21 ID OSID ThreadOBJ State GC Mode GC Alloc Context Domain Count Apt Exception
22 0 1 4b4 00696b10 2a020 Preemptive 02506254:00000000 006903d0 1 MTA
23 2 2 3ab8 00698df8 2b220 Preemptive 00000000:00000000 006903d0 0 MTA (Finalizer)
24 3 3 318c 006ee308 202b020 Preemptive 0250501C:00000000 006903d0 0 MTA
ID是1就是C#的托管线程编号， OSID的值是4b4就是操作系统层面的线程的数据结构，ThreadOBJ 就是CLR 层面的线程。
2.2、我们看看 AutoResetEvent 是如何通过 bool 值变化实现线程间的同步的。
调试源码：Example_14_1_2
我们编译项目，打开 Windbg，点击【文件】----》【launch executable】附加程序，打开调试器的界面，程序已经处于中断状态。我们需要使用【g】命令，继续运行程序，在【Debugger.Break()】语句处停止，我们的控制台应用程序输出：mre 默认为 false，即等待状态，请查看！Windbg 处于暂停状态，我们就可以调试了。
首先，我们去托管堆中查找一下 ManualResetEvent 这个对象，执行【!dumpheap -type ManualResetEvent】命令
1 1:000> !dumpheap -type ManualResetEvent
2 Address MT Size
3 033e24d4 6d53d578 24
4
5 Statistics:
6 MT Count TotalSize Class Name
7 6d53d578 1 24 System.Threading.ManualResetEvent
8 Total 1 objects
红色标注的地址就是我们要找的 ManualResetEvent 的实例。我们继续使用【!do】命令查看详情。
1 1:000> !do 033e24d4
2 Name: System.Threading.ManualResetEvent
3 MethodTable: 6d53d578
4 EEClass: 6d6114d0
5 Size: 24(0x18) bytes
6 File: C:\Windows\Microsoft.Net\assembly\GAC_32\mscorlib\v4.0_4.0.0.0__b77a5c561934e089\mscorlib.dll
7 Fields:
8 MT Field Offset Type VT Attr Value Name
9 6d4f2734 40005ba 4 System.Object 0 instance 00000000 __identity
10 6d4f7b18 4001990 c System.IntPtr 1 instance 2f8 waitHandle
11 6d4f6688 4001991 8 ...es.SafeWaitHandle 0 instance 033e2504 safeWaitHandle
12 6d4f878c 4001992 10 System.Boolean 1 instance 0 hasThreadAffinity
13 6d4f7b18 4001993 ec8 System.IntPtr 1 shared static InvalidHandle
14 >> Domain:Value 016adb18:ffffffff <<
红色标注的是一个 handle 对象，我们可以使用【!handle 2f8 f】命令继续查看，必须具有 f 参数。
1 1:000> !handle 2f8 f
2 Handle 2f8
3 Type Event
4 Attributes 0
5 GrantedAccess 0x1f0003:
6 Delete,ReadControl,WriteDac,WriteOwner,Synch
7 QueryState,ModifyState
8 HandleCount 2
9 PointerCount 32769
10 Name <none>
11 Object Specific Information
12 Event Type Manual Reset（事件类型是 ManualResetEvent）
13 Event is Waiting（当前是等待状态）
说明 false 是等待的状态，然后，我们继续【g】运行一下，等我们的控制台项目输出：mre 默认为 true，即放行状态，请查看！我们继续执行【!handle 2f8 f】命令查看。
1 1:000> !handle 2f8 f
2 Handle 2f8
3 Type Event
4 Attributes 0
5 GrantedAccess 0x1f0003:
6 Delete,ReadControl,WriteDac,WriteOwner,Synch
7 QueryState,ModifyState
8 HandleCount 2
9 PointerCount 65536
10 Name <none>
11 Object Specific Information
12 Event Type Manual Reset
13 Event is Set
然后，我们继续【g】运行一下，等我们的控制台项目输出：mre Reset后为 false，即等待状态，请查看！我们继续执行【!handle 2f8 f】命令查看。
1 1:000> !handle 2f8 f
2 Handle 2f8
3 Type Event
4 Attributes 0
5 GrantedAccess 0x1f0003:
6 Delete,ReadControl,WriteDac,WriteOwner,Synch
7 QueryState,ModifyState
8 HandleCount 2
9 PointerCount 65535
10 Name <none>
11 Object Specific Information
12 Event Type Manual Reset
13 Event is Waiting
我们都知道 AutoResetEvent 和 ManulResetEvent 的功能就是 Windows 底层的功能，说白了就是 C# 只是使用了 Windows 内核提供的事件，C# 不过是对其进行了包装，如果你想要查看内存地址，必须到内核态去看。
2.3、如何到内核态去查看 AutoResetEvent 和 ManulResetEvent 地址。
调试源码：Example_14_1_2
在这里，我们要打开两个 Windbg，第一个 Windbg 我们查看一下用户态。我们编译程序，通过【File】-->【launche executing】附加我们的可执行程序。进入到调试器界面，我们继续【g】，我们的控制台应用程序输出：mre 默认为 false，即等待状态，请查看！调试器处于中断状态，我们就可以调试了。
我们首先要找到【ManualResetEvent】对象的事件句柄，执行命令【!dumpheap -type ManualResetEvent】命令。
0:000> !dumpheap -type ManualResetEvent
Address MT Size
033224d4 6d53d578 24 Statistics:
MT Count TotalSize Class Name
6d53d578 1 24 System.Threading.ManualResetEvent
Total 1 objects
红色标注的就是【ManualResetEvent】对象地址，我们可以使用【!dumpobj /d 033224d4】命令查看 ManualResetEvent 实例对象。
1 0:000> !dumpobj /d 033224d4
2 Name: System.Threading.ManualResetEvent
3 MethodTable: 6d53d578
4 EEClass: 6d6114d0
5 Size: 24(0x18) bytes
6 File: C:\Windows\Microsoft.Net\assembly\GAC_32\mscorlib\v4.0_4.0.0.0__b77a5c561934e089\mscorlib.dll
7 Fields:
8 MT Field Offset Type VT Attr Value Name
9 6d4f2734 40005ba 4 System.Object 0 instance 00000000 __identity
10 6d4f7b18 4001990 c System.IntPtr 1 instance 2dc waitHandle（我们要查找的事件句柄）
11 6d4f6688 4001991 8 ...es.SafeWaitHandle 0 instance 03322504 safeWaitHandle
12 6d4f878c 4001992 10 System.Boolean 1 instance 0 hasThreadAffinity
13 6d4f7b18 4001993 ec8 System.IntPtr 1 shared static InvalidHandle
14 >> Domain:Value 01532430:ffffffff <<
我们再打开一个 Windbg，查看内核态，点击【File】-->【Attach to Kernel】，右侧选择【local】，点击【ok】进入调试器界面。2dc是一个句柄，就像一个编号，我们还需要借助【Process Explorer】工具，我们打开这个工具，然后在【Filter by name】输入项目名称Example_14_1_2，结果如图：
我们在 0X000002dc行双击，打开新窗口，效果如图：
我们就找到了内核地址了。然后，我们到 Windbg 的内核态中去查看一下这个地址，使用【dp】命令。当前值：0（00000000）
1 lkd> dp 0xFFFF9004B7B916E0 l1
2 ffff9004`b7b916e0 00000000`00060000
然后我们【g】一下用户态的 Windbg，控制台输出：mre 默认为 true，即放行状态，请查看！当前值：1（00000001），然后切换到【内核态】的Windbg，继续使用【dp】命令，查看一下。
1 lkd> dp 0xFFFF9004B7B916E0 l1
2 ffff9004`b7b916e0 00000001`00060000
然后，我们再【g】一下【用户态】的Windbg，控制台输出：mre Reset后为 false，即等待状态，请查看！当前值：0（00000000），然后切换到【内核态】的Windbg，继续使用【dp】命令，查看一下。
1 lkd> dp 0xFFFF9004B7B916E0 l1
2 ffff9004`b7b916e0 00000000`00060000
我们就看到了，状态是0和1相互切换的。
2.4、我们查看 Semaphore Count 的值是如何变化的。
调试源码：Example_14_1_3
我们编译项目，打开 Windbg，点击【文件】----》【launch executable】附加程序，打开调试器的界面，程序已经处于中断状态。我们需要使用【g】命令，继续运行程序，在【Debugger.Break()】语句处停止，我们的控制台应用程序输出：查看当前的 sem 值。现在就可以调试程序了。
我们现在托管堆中查找一下 Semaphore 对象，我们可以使用【!dumpheap -type Semaphore】命令。
1 0:000> !dumpheap -type Semaphore
2 Address MT Size
3 02f924d4 6d59611c 24
4
5 Statistics:
6 MT Count TotalSize Class Name
7 6d59611c 1 24 System.Threading.Semaphore
8 Total 1 objects
红色标注的地址 02f924d4 就是 Semaphore 对象，然后，我们可以使用【!do 02f924d4】或者【!dumpobj /d 02f924d4】查看 Semaphore 对象的详情，两个命令执行的结果都是一样的。
1 0:000> !do 02f924d4
2 Name: System.Threading.Semaphore
3 MethodTable: 6d59611c
4 EEClass: 6d5ccfa0
5 Size: 24(0x18) bytes
6 File: C:\Windows\Microsoft.Net\assembly\GAC_MSIL\System\v4.0_4.0.0.0__b77a5c561934e089\System.dll
7 Fields:
8 MT Field Offset Type VT Attr Value Name
9 6ec52734 40005ba 4 System.Object 0 instance 00000000 __identity
10 6ec57b18 4001990 c System.IntPtr 1 instance 314 waitHandle
11 6ec56688 4001991 8 ...es.SafeWaitHandle 0 instance 02f92504 safeWaitHandle
12 6ec5878c 4001992 10 System.Boolean 1 instance 0 hasThreadAffinity
13 6ec57b18 4001993 ec8 System.IntPtr 1 shared static InvalidHandle
14 >> Domain:Value 010dd880:ffffffff <<
15
16
17 0:000> !dumpobj /d 02f924d4
18 Name: System.Threading.Semaphore
19 MethodTable: 6d59611c
20 EEClass: 6d5ccfa0
21 Size: 24(0x18) bytes
22 File: C:\Windows\Microsoft.Net\assembly\GAC_MSIL\System\v4.0_4.0.0.0__b77a5c561934e089\System.dll
23 Fields:
24 MT Field Offset Type VT Attr Value Name
25 6ec52734 40005ba 4 System.Object 0 instance 00000000 __identity
26 6ec57b18 4001990 c System.IntPtr 1 instance 314 waitHandle
27 6ec56688 4001991 8 ...es.SafeWaitHandle 0 instance 02f92504 safeWaitHandle
28 6ec5878c 4001992 10 System.Boolean 1 instance 0 hasThreadAffinity
29 6ec57b18 4001993 ec8 System.IntPtr 1 shared static InvalidHandle
30 >> Domain:Value 010dd880:ffffffff <<
Semaphore 其实也是一个 waitHandle，我们有了 handle 地址，就可以使用【!handle】命令了。
1 Handle 314
2 Type Semaphore
3 Attributes 0
4 GrantedAccess 0x1f0003:
5 Delete,ReadControl,WriteDac,WriteOwner,Synch
6 QueryState,ModifyState
7 HandleCount 2
8 PointerCount 65536
9 Name <none>
10 Object Specific Information
11 Semaphore Count 2（Semaphore sem = new Semaphore(1, 10)，我们初始值是1，当前值是2）
12 Semaphore Limit 10
我们继续【g】，然后再次执行【!handle 314 f】命令，再次查看，Semaphore Count 的值就是3。
1 0:000> !handle 314 f
2 Handle 314
3 Type Semaphore
4 Attributes 0
5 GrantedAccess 0x1f0003:
6 Delete,ReadControl,WriteDac,WriteOwner,Synch
7 QueryState,ModifyState
8 HandleCount 2
9 PointerCount 65535
10 Name <none>
11 Object Specific Information
12 Semaphore Count 3（现在值是：3，每运行一次，该值就增加1，调用 Release()函数一次，值就增加一次。）
13 Semaphore Limit 10（这个值是极限值）
我们继续【g】，然后再次执行【!handle 314 f】命令，再次查看，Semaphore Count 值肯定就是4了。
1 0:000> !handle 314 f
2 Handle 314
3 Type Semaphore
4 Attributes 0
5 GrantedAccess 0x1f0003:
6 Delete,ReadControl,WriteDac,WriteOwner,Synch
7 QueryState,ModifyState
8 HandleCount 2
9 PointerCount 65534
10 Name <none>
11 Object Specific Information
12 Semaphore Count 4（又增加了一次）
13 Semaphore Limit 10
这个变化的 Count 值的内存地址在哪里呢？其实它的功能都是有内核态提供的，如果想看 Count 的内存地址，必须找到内核态的地址。这里我们还是需要借用【Process Explorer】工具，我使用的64位版本，自己可以根据自己系统的特点选择。打开工具，过滤我们的项目【Example_14_1_3】。效果如图：
双击【Semaphore】条目打卡属性窗口，就能看到它的内核态的内存地址了。
我们有了内核态的内存地址，就需要再打开一个 Windbg，点击【File】-->【Attach to Kernel】，在右侧窗口选择【local】点击【ok】打开调试器。然后，我们就可以使用【dp】命令查看具体的值了，当前值是：4（00000004）。
1 lkd> dp 0xFFFFCE09E477EA60 l1
2 ffffce09`e477ea60 00000004`00080005
我们切换到第一个 Windbg 窗口，【g】继续运行，然后再切换回来这个 Windbg，再次运行【dp】命令，当前的值应该就是：5（00000005）。
1 lkd> dp 0xFFFFCE09E477EA60 l1
2 ffffce09`e477ea60 00000005`00080005
其实，我们可以在第一个 Windbg 窗口中，使用【!handle 314 f】也可以看到结果值，肯定也是5。
1 0:000> !handle 314 f
2 Handle 314
3 Type Semaphore
4 Attributes 0
5 GrantedAccess 0x1f0003:
6 Delete,ReadControl,WriteDac,WriteOwner,Synch
7 QueryState,ModifyState
8 HandleCount 2
9 PointerCount 65532
10 Name <none>
11 Object Specific Information
12 Semaphore Count 5
13 Semaphore Limit 10
Semaphore 是有极限值的，如果超过极限值，CLR 会抛出异常。
1 0:000> g
2 ModLoad: 058f0000 059ea000 image058f0000
3 ModLoad: 059f0000 05aea000 image059f0000
4 (52c.2990): CLR exception - code e0434352 (first chance)
5 ModLoad: 66bf0000 66cf5000 C:\Windows\Microsoft.NET\Framework\v4.0.30319\diasymreader.dll
6 ModLoad: 6cd30000 6d548000 C:\Windows\assembly\NativeImages_v4.0.30319_32\System.Core\System.Core.ni.dll
7 ModLoad: 73630000 73643000 C:\Windows\SysWOW64\CRYPTSP.dll
8 ModLoad: 73600000 7362f000 C:\Windows\SysWOW64\rsaenh.dll
9 ModLoad: 75ce0000 75cf9000 C:\Windows\SysWOW64\bcrypt.dll
10 ModLoad: 73690000 7369a000 C:\Windows\SysWOW64\CRYPTBASE.dll
11 (52c.2990): CLR exception - code e0434352 (!!! second chance !!!)
12 *** WARNING: Unable to verify checksum for C:\Windows\assembly\NativeImages_v4.0.30319_32\\System.ni.dll
13 eax=00f3ec58 ebx=00000005 ecx=00000005 edx=00000000 esi=00f3ed1c edi=00000001
14 eip=75969862 esp=00f3ec58 ebp=00f3ecb4 iopl=0 nv up ei pl nz ac po nc
15 cs=0023 ss=002b ds=002b es=002b fs=0053 gs=002b efl=00000212
16 KERNELBASE!RaiseException+0x62:
17 75969862 8b4c2454 mov ecx,dword ptr [esp+54h] ss:002b:00f3ecac=c4689540
2.5、我们使用 Windbg 查看 Monitor 的实现，该项目是 Net 7.0，因为Net Framework 是闭源的，没有办法看到源码。
调试源码：Example_14_1_4
我们编译项目，打开 Windbg，点击【文件】----》【launch executable】附加程序，打开调试器的界面，程序已经处于中断状态。我们需要使用【g】命令，继续运行程序，当我们的控制台程序输出：4 已进入 Person 锁中111111（这里不一定是这个，我的输出是这个），这个过程的时间有点长，Windbg执行框处在【busy】状态， 因为正在下载 coreclr.pdb，下载完毕就可以，操作完成，Windbg 有一个 int 3 中断，就可以调试程序了。
然后，我们使用【!syncblk】命令，查看一下同步块。
1 0:007> !syncblk
2 Index SyncBlock MonitorHeld Recursion Owning Thread Info SyncBlock Owner
3 9 0000026C988CE368 3 1 000002AD2EE66800 18b0 7 0000026c9cc0cb88 Example_14_1_4_Core.Person
4 -----------------------------
5 Total 12
6 CCW 0
7 RCW 0
8 ComClassFactory 0
9 Free 0
我们说过 Monitor 的底层实现就是 AwareLock，这个标红 0000026C988CE368 地址就是指向 AwareLock。我们使用【dt】命令查看一番。
1 0:007> dt coreclr!AwareLock 0000026C988CE368
2 +0x000 m_lockState : AwareLock::LockState（底层的 awarelock）
3 +0x004 m_Recursion : 1（递归次数1）
4 +0x008 m_HoldingThread : 0x000002ad`2ee66800 Thread（持有的线程，和 Owning Thread Info 值一样）
5 +0x010 m_TransientPrecious : 0n1
6 +0x014 m_dwSyncIndex : 0x80000009（这个就是同步块索引，是9）
7 +0x018 m_SemEvent : CLREvent(底层还是使用的 Event 实现同步)
8 +0x028 m_waiterStarvationStartTimeMs : 0xb6cb0b
我们继续使用【dx】命令查看 m_SemEvent 是什么。
1 0:007> dx -r1 (*((coreclr!CLREvent *)0x26c988ce380))
2 (*((coreclr!CLREvent *)0x26c988ce380)) [Type: CLREvent]
3 [+0x000] m_handle : 0x2d0 [Type: void *]（这里是一个句柄）
4 [+0x008] m_dwFlags : 0xd [Type: Volatile<unsigned long>]
既然是一个 handle，我们就使用【!handle】命令查看一下就知道了。
1 0:007> !handle 0x2d0 f
2 Handle 2d0
3 Type Event
4 Attributes 0
5 GrantedAccess 0x1f0003:
6 Delete,ReadControl,WriteDac,WriteOwner,Synch
7 QueryState,ModifyState
8 HandleCount 2
9 PointerCount 65537
10 Name <none>
11 Object Specific Information
12 Event Type Auto Reset（其实就是 AutoResetEvent）
13 Event is Waiting
2.6、我们看看 ThinLock 锁的实现逻辑。
调试源码：Example_14_1_5
我们编译项目，打开 Windbg，点击【文件】----》【launch executable】附加程序，打开调试器的界面，程序已经处于中断状态。我们需要使用【g】命令，继续运行程序，我们的控制台会输出：3 已进入 Person 锁中。此时，我们的 Windbg 处于 int 3 中断的状态，就可以调试程序了。
我们还是先使用【!syncblk】命令，查看一下同步块。
1 0:009> !syncblk
2 Index SyncBlock MonitorHeld Recursion Owning Thread Info SyncBlock Owner
3 -----------------------------
4 Total 6
5 CCW 1
6 RCW 2
7 ComClassFactory 0
8 Free 0
没有同步块，这就说明虽然用到了锁，但是没有用到同步块。我们既然想要查看这个Person对象的对象，那我们就现在托管堆中找到这个对象，可以使用【!dumpheap -type Person】命令，完成这个操作。
1 0:009> !dumpheap -type Person
2 Address MT Size
3 02c224d4 01224e0c 12
4
5 Statistics:
6 MT Count TotalSize Class Name
7 01224e0c 1 12 Example_14_1_5.Person
8 Total 1 objects
红色标注的地址就是 Person 对象的地址。我们可以使用【!dp】命令来查看。
1 0:009> dp 02c224d4-0x4 l4
2 02c224d0 00000003 01224e0c 00000000 00000000
同步块索引的值是3（00000003），这个3 就是持有锁的线程 id 值。我们可以使用【!t】或者【!threads】命令查看一下当前的线程。
1 0:009> !t
2 ThreadCount: 4
3 UnstartedThread: 0
4 BackgroundThread: 3
5 PendingThread: 0
6 DeadThread: 0
7 Hosted Runtime: no
8 Lock
9 ID OSID ThreadOBJ State GC Mode GC Alloc Context Domain Count Apt Exception
10 0 1 3b00 00cb9760 2a020 Preemptive 02C2A044:00000000 00c823e8 1 MTA
11 5 2 174c 00c893b8 2b220 Preemptive 00000000:00000000 00c823e8 0 MTA (Finalizer)
12 9 3 29fc 00cf0fe8 1029220 Preemptive 02C2742C:00000000 00c823e8 1 MTA (Threadpool Worker) （这个就是持有锁的线程，id=3）
13 11 4 37a8 00cf4af8 1029220 Preemptive 02C281E8:00000000 00c823e8 0 MTA (Threadpool Worker)
我们知道了线程 id，我们就可以切换到该线程上去看看那调用栈是什么样子的。
1 0:003> ~~[29fc]s
2 eax=0567f124 ebx=00000000 ecx=00cf0fe8 edx=0567f55c esi=02c27244 edi=0567f168
3 eip=7599f262 esp=0567f0bc ebp=0567f148 iopl=0 nv up ei pl zr na pe nc
4 cs=0023 ss=002b ds=002b es=002b fs=0053 gs=002b efl=00000244
5 KERNELBASE!wil::details::DebugBreak+0x2:
6 7599f262 cc int 3
然后，我们看看线程栈。
1 0:009> !clrstack
2 OS Thread Id: 0x29fc (9)
3 Child SP IP Call Site
4 0567f0d4 7599f262 [HelperMethodFrame: 0567f0d4] System.Diagnostics.Debugger.BreakInternal()
5 0567f150 6f7cf195 System.Diagnostics.Debugger.Break() [f:\dd\ndp\clr\src\BCL\system\diagnostics\debugger.cs @ 91]
6 0567f178 012b0a90 Example_14_1_5.Program+c.b__1_0() [E:\Visual Studio 2022\Source\Projects\AdvancedDebug.NetFramework.Test\Example_14_1_5\Program.cs @ 18]
7 0567f1c0 6f09d4bb System.Threading.Tasks.Task.InnerInvoke() [f:\dd\ndp\clr\src\BCL\system\threading\Tasks\Task.cs @ 2884]
8 0567f1cc 6f09b731 System.Threading.Tasks.Task.Execute() [f:\dd\ndp\clr\src\BCL\system\threading\Tasks\Task.cs @ 2498]
9 0567f1f0 6f09b6fc System.Threading.Tasks.Task.ExecutionContextCallback(System.Object) [f:\dd\ndp\clr\src\BCL\system\threading\Tasks\Task.cs @ 2861]
10 0567f1f4 6f038604 System.Threading.ExecutionContext.RunInternal(System.Threading.ExecutionContext, System.Threading.ContextCallback, System.Object, Boolean) [f:\dd\ndp\clr\src\BCL\system\threading\executioncontext.cs @ 980]
11 0567f260 6f038537 System.Threading.ExecutionContext.Run(System.Threading.ExecutionContext, System.Threading.ContextCallback, System.Object, Boolean) [f:\dd\ndp\clr\src\BCL\system\threading\executioncontext.cs @ 928]
12 0567f274 6f09b4b2 System.Threading.Tasks.Task.ExecuteWithThreadLocal(System.Threading.Tasks.Task ByRef) [f:\dd\ndp\clr\src\BCL\system\threading\Tasks\Task.cs @ 2827]
13 0567f2d8 6f09b357 System.Threading.Tasks.Task.ExecuteEntry(Boolean) [f:\dd\ndp\clr\src\BCL\system\threading\Tasks\Task.cs @ 2767]
14 0567f2e8 6f09b29d System.Threading.Tasks.Task.System.Threading.IThreadPoolWorkItem.ExecuteWorkItem() [f:\dd\ndp\clr\src\BCL\system\threading\Tasks\Task.cs @ 2704]
15 0567f2ec 6f00eb7d System.Threading.ThreadPoolWorkQueue.Dispatch() [f:\dd\ndp\clr\src\BCL\system\threading\threadpool.cs @ 820]
16 0567f33c 6f00e9db System.Threading._ThreadPoolWaitCallback.PerformWaitCallback() [f:\dd\ndp\clr\src\BCL\system\threading\threadpool.cs @ 1161]
17 0567f55c 70def036 [DebuggerU2MCatchHandlerFrame: 0567f55c]
红色标注的就是我们程序暂停的位置，VisualStudio 所对应的代码行数。
其实，我们获取到了对象地址，可以【!do】一下，也可以看到一些信息。
1 0:009> !do 02c224d4
2 Name: Example_14_1_5.Person
3 MethodTable: 01224e0c
4 EEClass: 0122135c
5 Size: 12(0xc) bytes
6 File: E:\Visual Studio 2022\Source\Projects\AdvancedDebug.NetFramework.Test\Example_14_1_5\bin\Debug\Example_14_1_5.exe
7 Fields:
8 None
9 ThinLock owner 3 (00cf0fe8), Recursive 0
四、总结
终于写完了。还是老话，虽然很忙，写作过程也挺累的，但是看到了自己的成长，心里还是挺快乐的。学习过程真的没那么轻松，还好是自己比较喜欢这一行，否则真不知道自己能不能坚持下来。老话重谈，《高级调试》的这本书第一遍看，真的很晕，第二遍稍微好点，不学不知道，一学吓一跳，自己欠缺的很多。好了，不说了，不忘初心，继续努力，希望老天不要辜负努力的人。
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