AOT漫谈专题(第三篇): 如何获取C#程序的CPU利用率

一：背景

1. 讲故事

上篇聊到了如何对AOT程序进行轻量级的APM监控，有朋友问我如何获取AOT程序的CPU利用率，本来我觉得这是一个挺简单的问题，但一研究不是这么一回事，这篇我们简单的聊一聊。

二：如何获取CPU利用率

1. 认识cpuUtilization字段

熟悉.NET底层的朋友应该知道，.NET线程池中有一个cpuUtilization字段就记录了当前机器的CPU利用率，所以接下来的思路就是如何把这个字段给挖出来，在挖这个字段之前也要知道 .NET6 为界限出现过两个线程池。

1）win32threadpool.cpp

这是 .NET6 之前一直使用的 .NET线程池，它是由 clr 的 1）win32threadpool.cpp 实现的，参考代码如下：

SVAL_IMPL(LONG,ThreadpoolMgr,cpuUtilization);

2. PortableThreadPool.cs

为了更好的跨平台以及高层统一, .NET团队用C#对原来的线程池进行了重构，所以这个字段自然也落到了C#中，参考如下：

internal sealed class PortableThreadPool
{
    private int _cpuUtilization;
}

3. WindowsThreadPool.cs

我原以为线程池已经被这两种实现平分天下，看来我还是年轻了，不知道什么时候又塞入了一种线程池实现 WindowsThreadPool.cs，无语了，它是简单的 WindowsThreadPool 的 C#封装，舍去了很多原来的方法实现，比如：

internal static class WindowsThreadPool
{
    public static bool SetMinThreads(int workerThreads, int completionPortThreads)
    {
        return false;
    }
    public static bool SetMaxThreads(int workerThreads, int completionPortThreads)
    {
        return false;
    }

    internal static void NotifyThreadUnblocked()
    {
    }

    internal unsafe static void RequestWorkerThread()
    {
        //todo...
        //提交到 windows线程池
        Interop.Kernel32.SubmitThreadpoolWork(s_work);
    }
}

而这个也是 Windows 版的AOT默认实现，因为 Windows线程池是由操作系统实现，没有源码公开，观察了reactos的开源实现，也未找到类似的cpuUtilization字段，这就比较尴尬了，常见的应对措施如下：

1. 因为dump或者program中没有现成字段，只能在程序中使用代码获取。
2. 修改windows上的 aot 默认线程池。

2. 如果修改AOT的默认线程池

在微软的官方文档：https://learn.microsoft.com/zh-cn/dotnet/core/runtime-config/threading 上就记录了Windows线程池的一些概况以及如何切换线程池的方法，截图如下：

这里选择 MSBuild 的方式来配置。

<Project Sdk="Microsoft.NET.Sdk">

 <PropertyGroup>
  <OutputType>Exe</OutputType>
  <TargetFramework>net8.0</TargetFramework>
  <ImplicitUsings>enable</ImplicitUsings>
  <Nullable>enable</Nullable>
  <PublishAot>true</PublishAot>
  <UseWindowsThreadPool>false</UseWindowsThreadPool>
  <InvariantGlobalization>true</InvariantGlobalization>
 </PropertyGroup>
</Project>

接下来写一段简单的C#代码，故意让一个线程死循环。

    internal class Program
    {
        static void Main(string[] args)
        {
            Task.Run(() =>
            {
                Test();
            }).Wait();
        }

        static void Test()
        {
            var flag = true;
            while (true)
            {
                flag = !flag;
            }
        }
    }

这里要注意的一点是发布成AOT的程序不能以普通的带有元数据的C#程序来套。毕竟前者没有元数据了，那怎么办呢？这就考验你对AOT依赖树的理解，熟悉AOT的朋友都知道,依赖树的构建最终是以有向图的方式存储在 _dependencyGraph 字段中，每个节点由基类 NodeFactory 承载，参考代码如下：

public abstract class Compilation : ICompilation
{
    protected readonly DependencyAnalyzerBase<NodeFactory> _dependencyGraph;
}

public abstract partial class NodeFactory
{
    public virtual void AttachToDependencyGraph(DependencyAnalyzerBase<NodeFactory> graph)
    {
        ReadyToRunHeader = new ReadyToRunHeaderNode();

        graph.AddRoot(ReadyToRunHeader, "ReadyToRunHeader is always generated");
        graph.AddRoot(new ModulesSectionNode(), "ModulesSection is always generated");

        graph.AddRoot(GCStaticsRegion, "GC StaticsRegion is always generated");
        graph.AddRoot(ThreadStaticsRegion, "ThreadStaticsRegion is always generated");
        graph.AddRoot(EagerCctorTable, "EagerCctorTable is always generated");
        graph.AddRoot(TypeManagerIndirection, "TypeManagerIndirection is always generated");
        graph.AddRoot(FrozenSegmentRegion, "FrozenSegmentRegion is always generated");
        graph.AddRoot(InterfaceDispatchCellSection, "Interface dispatch cell section is always generated");
        graph.AddRoot(ModuleInitializerList, "Module initializer list is always generated");

        if (_inlinedThreadStatics.IsComputed())
        {
            graph.AddRoot(_inlinedThreadStatiscNode, "Inlined threadstatics are used if present");
            graph.AddRoot(TlsRoot, "Inlined threadstatics are used if present");
        }

        ReadyToRunHeader.Add(ReadyToRunSectionType.GCStaticRegion, GCStaticsRegion);
        ReadyToRunHeader.Add(ReadyToRunSectionType.ThreadStaticRegion, ThreadStaticsRegion);
        ReadyToRunHeader.Add(ReadyToRunSectionType.EagerCctor, EagerCctorTable);
        ReadyToRunHeader.Add(ReadyToRunSectionType.TypeManagerIndirection, TypeManagerIndirection);
        ReadyToRunHeader.Add(ReadyToRunSectionType.FrozenObjectRegion, FrozenSegmentRegion);
        ReadyToRunHeader.Add(ReadyToRunSectionType.ModuleInitializerList, ModuleInitializerList);

        var commonFixupsTableNode = new ExternalReferencesTableNode("CommonFixupsTable", this);
        InteropStubManager.AddToReadyToRunHeader(ReadyToRunHeader, this, commonFixupsTableNode);
        MetadataManager.AddToReadyToRunHeader(ReadyToRunHeader, this, commonFixupsTableNode);
        MetadataManager.AttachToDependencyGraph(graph);
        ReadyToRunHeader.Add(MetadataManager.BlobIdToReadyToRunSection(ReflectionMapBlob.CommonFixupsTable), commonFixupsTableNode);
    }
}

结合上面的代码，我们的 PortableThreadPool 静态类会记录到根区域的 GCStaticsRegion 中，有了这些知识，接下来就是开挖了。

3. 使用 windbg 开挖

用 windbg 启动生成好的 aot程序，接下来用 Example_21_8!S_P_CoreLib_System_Threading_PortableThreadPool::__GCSTATICS 找到类中的静态字段。

0:007> dp Example_21_8!S_P_CoreLib_System_Threading_PortableThreadPool::__GCSTATICS L1
00007ff6`e4b7c5d0  000002a5`a4000468
0:007> dp 000002a5`a4000468+0x8 L1
000002a5`a4000470  000002a5`a6809ca0
0:007> dd 000002a5`a6809ca0+0x50 L1
000002a5`a6809cf0  0000000a
0:007> ? a
Evaluate expression: 10 = 00000000`0000000a

从上面的卦中可以清晰的看到，当前的CPU=10%。这里稍微解释下 000002a5a4000468+0x8 是用来跳过vtable从而取到类实例，后面的 000002a5a6809ca0+0x50 是用来获取 PortableThreadPool._cpuUtilization 字段的，布局参考如下：

0:012> !dumpobj /d 27bc100b288
Name:        System.Threading.PortableThreadPool
MethodTable: 00007ffc6c1aa6f8
EEClass:     00007ffc6c186b38
Tracked Type: false
Size:        512(0x200) bytes
File:        C:\Program Files\dotnet\shared\Microsoft.NETCore.App\8.0.8\System.Private.CoreLib.dll
Fields:
              MT    Field   Offset                 Type VT     Attr            Value Name
00007ffc6c031188  4000d42       50         System.Int32  1 instance                10 _cpuUtilization
00007ffc6c0548b0  4000d43       5c         System.Int16  1 instance               12 _minThreads
00007ffc6c0548b0  4000d44       5e         System.Int16  1 instance            32767 _maxThreads

三：总结

总的来说如果你的AOT使用默认的 WindowsThreadPool，那想获取 cpu利用率基本上是无力回天，当然有达人知道的话可以告知下，如果切到默认的.NET线程池还是有的一拼，即使没有 pdb 符号也可以根据_minThreads和_maxThreads的内容反向搜索。