AOT漫谈专题(第一篇): 如何调试C# AOT程序

席军博

一：背景

1. 讲故事

上个月接到了二个C# AOT程序的故障分析，发现如今的C# AOT程序也开始在各个领域开枝散叶了，这是一件非常好的事情，本着对这类程序有一个专业的维修态度，开一个系列好好聊一聊吧，当然我这里是漫谈，文章没有先后顺序，先从如何调试开始吧。
二：如何调试AOT程序

1. 一个简单的例子

现在的VS非常强大，新建模板的时候就有一个 Enable native AOT publish 选项，勾完之后就会自动的在项目的 csproj 中添加配置节 true ，截图如下：

勾选的好处就是可以在编码阶段就能感知到AOT不允许的东西，方便及时告警，生成完之后参考代码如下：

1.         static void Main(string[] args)
2.         {
3.             var i = 10;
4.             var j = 20;
5.             var sum = i + j;
6.             Console.WriteLine($"{i}+{j}={sum}");
7.             Console.ReadLine();
8.         }

复制代码

代码有了之后，可以借助dotnet cli的 publish 命令直接发布成nativeaot程序，这里先使用 Debug 模式，这样就生成好了一个完整的程序，参考如下：

dotnet publish -r win-x64 -c Debug -o D:\testdump

当然你也可以带上 PublishAot=true 参数，即：

dotnet publish -r win-x64 -c Debug /p:PublishAot=true -o D:\testdump

2. 使用VS调试

用 VS调试非常简单，直接将 ConsoleApp1.exe 拖到 VS 中即可，对，就是拖到VS中，然后在源码的相应位置下个断点，接下来在 ConsoleApp1.exe 上右键 -> Debug -> Start New Instance 即可启动调试，截图如下：

大家看到命中断点了也不要高兴的太早，VS只适合调试Debug模式发布出来的程序，而实际情况大家更多的是以Release模式发布的，这种模式下用 VS 就不能很好的调试了。
为了验证，我们简单的修改一下 Debug 改成 Release 模式，参考如下：

1. PS D:\skyfly\18.20241010\src\Example\ConsoleApp1> dotnet publish -r win-x64 -c Release -o D:\testdump
2.   正在确定要还原的项目…
3.   所有项目均是最新的，无法还原。
4.   ConsoleApp1 -> D:\skyfly\18.20241010\src\Example\ConsoleApp1\bin\Release\net8.0\win-x64\ConsoleApp1.dll
5.   ConsoleApp1 -> D:\testdump\
7. 有可用的工作负载更新。有关详细信息，请运行 `dotnet workload list`。

复制代码

程序运行以来之后，可以看到那些 i，j，sum 都不见了踪影，无语了，截图如下：

3. WinDbg调试

水到绝境是风景，人到绝境是重生。当你绝望的时候一定要知道有WinDbg这种通杀一切之工具的存在，所以这次我们要祭出 WinDbg。
那用 windbg 如何调试呢？非常简单，直接对 Main 方法下断点即可，毕竟AOT程序在 ilc 阶段就已经编译成完整的 机器码，参考命令如下：

1. bp ConsoleApp1!ConsoleApp1_ConsoleApp1_Program__Main

复制代码

这个命令的格式如下：

1. bp 模块名!模块名_命名空间_类名__方法名

复制代码

参考汇编代码如下：

1. 0:000> uf ConsoleApp1!ConsoleApp1_ConsoleApp1_Program__Main
2. ConsoleApp1!ConsoleApp1_ConsoleApp1_Program__Main [D:\skyfly\18.20241010\src\Example\ConsoleApp1\Program.cs @ 9]:
3.     9 00007ff6`e4836d20 4883ec48        sub     rsp,48h
4.     9 00007ff6`e4836d24 0f57e4          xorps   xmm4,xmm4
5.     9 00007ff6`e4836d27 0f29642420      movaps  xmmword ptr [rsp+20h],xmm4
6.     9 00007ff6`e4836d2c 0f29642430      movaps  xmmword ptr [rsp+30h],xmm4
7.     9 00007ff6`e4836d31 33c0            xor     eax,eax
8.     9 00007ff6`e4836d33 4889442440      mov     qword ptr [rsp+40h],rax
9.    10 00007ff6`e4836d38 488d4c2420      lea     rcx,[rsp+20h]
10.    10 00007ff6`e4836d3d ba02000000      mov     edx,2
11.    10 00007ff6`e4836d42 41b803000000    mov     r8d,3
12.    10 00007ff6`e4836d48 e823f10200      call    ConsoleApp1!S_P_CoreLib_System_Runtime_CompilerServices_DefaultInterpolatedStringHandler___ctor (00007ff6`e4865e70)
13.    10 00007ff6`e4836d4d 488d4c2420      lea     rcx,[rsp+20h]
14.    10 00007ff6`e4836d52 ba0a000000      mov     edx,0Ah
15.    10 00007ff6`e4836d57 e8a48e0500      call    ConsoleApp1!S_P_CoreLib_System_Runtime_CompilerServices_DefaultInterpolatedStringHandler__AppendFormatted<Int32> (00007ff6`e488fc00)
16.    10 00007ff6`e4836d5c 8b4c2430        mov     ecx,dword ptr [rsp+30h]
17.    10 00007ff6`e4836d60 8b542440        mov     edx,dword ptr [rsp+40h]
18.    10 00007ff6`e4836d64 3bca            cmp     ecx,edx
19.    10 00007ff6`e4836d66 0f87c9000000    ja      ConsoleApp1!ConsoleApp1_ConsoleApp1_Program__Main+0x115 (00007ff6`e4836e35)  Branch
21. ConsoleApp1!ConsoleApp1_ConsoleApp1_Program__Main+0x4c [D:\skyfly\18.20241010\src\Example\ConsoleApp1\Program.cs @ 10]:
22.    10 00007ff6`e4836d6c 488b442438      mov     rax,qword ptr [rsp+38h]
23.    10 00007ff6`e4836d71 448bc1          mov     r8d,ecx
24.    10 00007ff6`e4836d74 4a8d0440        lea     rax,[rax+r8*2]
25.    10 00007ff6`e4836d78 2bd1            sub     edx,ecx
26.    10 00007ff6`e4836d7a 83fa01          cmp     edx,1
27.    10 00007ff6`e4836d7d 721d            jb      ConsoleApp1!ConsoleApp1_ConsoleApp1_Program__Main+0x7c (00007ff6`e4836d9c)  Branch
29. ConsoleApp1!ConsoleApp1_ConsoleApp1_Program__Main+0x5f [D:\skyfly\18.20241010\src\Example\ConsoleApp1\Program.cs @ 10]:
30.    10 00007ff6`e4836d7f 488d0d4a180600  lea     rcx,[ConsoleApp1!_Str___206014A4266C2082B9433011FB2991059F972D570A8B3C976E5B2B8DFCFBFC8D (00007ff6`e48985d0)]
31.    10 00007ff6`e4836d86 4883c10c        add     rcx,0Ch
32.    10 00007ff6`e4836d8a 0fb711          movzx   edx,word ptr [rcx]
33.    10 00007ff6`e4836d8d 668910          mov     word ptr [rax],dx
34.    10 00007ff6`e4836d90 8b4c2430        mov     ecx,dword ptr [rsp+30h]
35.    10 00007ff6`e4836d94 ffc1            inc     ecx
36.    10 00007ff6`e4836d96 894c2430        mov     dword ptr [rsp+30h],ecx
37.    10 00007ff6`e4836d9a eb11            jmp     ConsoleApp1!ConsoleApp1_ConsoleApp1_Program__Main+0x8d (00007ff6`e4836dad)  Branch
39. ConsoleApp1!ConsoleApp1_ConsoleApp1_Program__Main+0x7c [D:\skyfly\18.20241010\src\Example\ConsoleApp1\Program.cs @ 10]:
40.    10 00007ff6`e4836d9c 488d4c2420      lea     rcx,[rsp+20h]
41.    10 00007ff6`e4836da1 488d1528180600  lea     rdx,[ConsoleApp1!_Str___206014A4266C2082B9433011FB2991059F972D570A8B3C976E5B2B8DFCFBFC8D (00007ff6`e48985d0)]
42.    10 00007ff6`e4836da8 e893f20200      call    ConsoleApp1!S_P_CoreLib_System_Runtime_CompilerServices_DefaultInterpolatedStringHandler__GrowThenCopyString (00007ff6`e4866040)
44. ConsoleApp1!ConsoleApp1_ConsoleApp1_Program__Main+0x8d [D:\skyfly\18.20241010\src\Example\ConsoleApp1\Program.cs @ 10]:
45.    10 00007ff6`e4836dad 488d4c2420      lea     rcx,[rsp+20h]
46.    10 00007ff6`e4836db2 ba14000000      mov     edx,14h
47.    10 00007ff6`e4836db7 e8448e0500      call    ConsoleApp1!S_P_CoreLib_System_Runtime_CompilerServices_DefaultInterpolatedStringHandler__AppendFormatted<Int32> (00007ff6`e488fc00)
48.    10 00007ff6`e4836dbc 8b4c2430        mov     ecx,dword ptr [rsp+30h]
49.    10 00007ff6`e4836dc0 8b542440        mov     edx,dword ptr [rsp+40h]
50.    10 00007ff6`e4836dc4 3bca            cmp     ecx,edx
51.    10 00007ff6`e4836dc6 776d            ja      ConsoleApp1!ConsoleApp1_ConsoleApp1_Program__Main+0x115 (00007ff6`e4836e35)  Branch
53. ConsoleApp1!ConsoleApp1_ConsoleApp1_Program__Main+0xa8 [D:\skyfly\18.20241010\src\Example\ConsoleApp1\Program.cs @ 10]:
54.    10 00007ff6`e4836dc8 488b442438      mov     rax,qword ptr [rsp+38h]
55.    10 00007ff6`e4836dcd 448bc1          mov     r8d,ecx
56.    10 00007ff6`e4836dd0 4a8d0440        lea     rax,[rax+r8*2]
57.    10 00007ff6`e4836dd4 2bd1            sub     edx,ecx
58.    10 00007ff6`e4836dd6 83fa01          cmp     edx,1
59.    10 00007ff6`e4836dd9 721d            jb      ConsoleApp1!ConsoleApp1_ConsoleApp1_Program__Main+0xd8 (00007ff6`e4836df8)  Branch
61. ConsoleApp1!ConsoleApp1_ConsoleApp1_Program__Main+0xbb [D:\skyfly\18.20241010\src\Example\ConsoleApp1\Program.cs @ 10]:
62.    10 00007ff6`e4836ddb 488d0dee1f0600  lea     rcx,[ConsoleApp1!_Str___E7DAC261E841E53EB65AC8C2A0E56544DF49C46D71E8002D7764F92C66C4C868 (00007ff6`e4898dd0)]
63.    10 00007ff6`e4836de2 4883c10c        add     rcx,0Ch
64.    10 00007ff6`e4836de6 0fb711          movzx   edx,word ptr [rcx]
65.    10 00007ff6`e4836de9 668910          mov     word ptr [rax],dx
66.    10 00007ff6`e4836dec 8b4c2430        mov     ecx,dword ptr [rsp+30h]
67.    10 00007ff6`e4836df0 ffc1            inc     ecx
68.    10 00007ff6`e4836df2 894c2430        mov     dword ptr [rsp+30h],ecx
69.    10 00007ff6`e4836df6 eb11            jmp     ConsoleApp1!ConsoleApp1_ConsoleApp1_Program__Main+0xe9 (00007ff6`e4836e09)  Branch
71. ConsoleApp1!ConsoleApp1_ConsoleApp1_Program__Main+0xd8 [D:\skyfly\18.20241010\src\Example\ConsoleApp1\Program.cs @ 10]:
72.    10 00007ff6`e4836df8 488d4c2420      lea     rcx,[rsp+20h]
73.    10 00007ff6`e4836dfd 488d15cc1f0600  lea     rdx,[ConsoleApp1!_Str___E7DAC261E841E53EB65AC8C2A0E56544DF49C46D71E8002D7764F92C66C4C868 (00007ff6`e4898dd0)]
74.    10 00007ff6`e4836e04 e837f20200      call    ConsoleApp1!S_P_CoreLib_System_Runtime_CompilerServices_DefaultInterpolatedStringHandler__GrowThenCopyString (00007ff6`e4866040)
76. ConsoleApp1!ConsoleApp1_ConsoleApp1_Program__Main+0xe9 [D:\skyfly\18.20241010\src\Example\ConsoleApp1\Program.cs @ 10]:
77.    10 00007ff6`e4836e09 488d4c2420      lea     rcx,[rsp+20h]
78.    10 00007ff6`e4836e0e ba1e000000      mov     edx,1Eh
79.    10 00007ff6`e4836e13 e8e88d0500      call    ConsoleApp1!S_P_CoreLib_System_Runtime_CompilerServices_DefaultInterpolatedStringHandler__AppendFormatted<Int32> (00007ff6`e488fc00)
80.    10 00007ff6`e4836e18 488d4c2420      lea     rcx,[rsp+20h]
81.    10 00007ff6`e4836e1d e8def00200      call    ConsoleApp1!S_P_CoreLib_System_Runtime_CompilerServices_DefaultInterpolatedStringHandler__ToStringAndClear (00007ff6`e4865f00)
82.    10 00007ff6`e4836e22 488bc8          mov     rcx,rax
83.    10 00007ff6`e4836e25 e856080000      call    ConsoleApp1!System_Console_System_Console__WriteLine_12 (00007ff6`e4837680)
84.    13 00007ff6`e4836e2a e831080000      call    ConsoleApp1!System_Console_System_Console__ReadLine (00007ff6`e4837660)
85.    14 00007ff6`e4836e2f 90              nop
86.    14 00007ff6`e4836e30 4883c448        add     rsp,48h
87.    14 00007ff6`e4836e34 c3              ret

复制代码

仔细观察上面的汇编代码，你会发现 i，j 根本就没有作为栈变量使用，而是直接放到了寄存器中传给了 AppendFormatted 方法。

这里要提醒一点就是 DefaultInterpolatedStringHandler 是 C# 中 string 拼接的一种底层优化实现，所以最后代码被优化成了  Console.WriteLine($"{10}+{20}={30}"); 这样的句子，这也是 Release 的威力所在。
当然 WinDbg 的功能不限于此，后面还有更多牛叉的功能，在系列文章后面再展开吧。
三：总结

工欲善其事必先利其器，对未知知识的探索必然需要一个好的工具，希望本篇给大家带来一些灵感吧。

来源:https://www.cnblogs.com/huangxincheng/p/18457932
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