浅析 C# Console 控制台为什么也会卡死

一：背景

1. 讲故事

在分析旅程中，总会有几例控制台的意外卡死导致的生产事故，有经验的朋友都知道，控制台卡死一般是动了 快速编辑窗口 的缘故，截图如下：

虽然知道缘由，但一直没有时间探究底层原理，市面上也没有对这块的底层原理介绍，昨天花了点时间简单探究了下，算是记录分享吧。

二：几个疑问解答

1. 界面为什么会卡死

相信有很多朋友会有这么一个疑问？控制台程序明明没有 message loop 机制，为什么还能响应窗口事件呢？

说实话这是一个好问题，其实 Console 之所以能响应窗口事件，是因为它开了一个配套的 conhost 窗口子进程，用它来承接 UI 事件，为了方便阐述，上一段定时向控制台输出的测试代码。

static void Main(string[] args){for (int i = 0; i < int.MaxValue; i++){Console.WriteLine($"i={i}");Thread.Sleep(1000);}}

将程序跑起来，再用 process explorer 观察进程树即可。

接下来用 windbg 附加到 conshost 进程上，观察下有没有 GetMessageW。


0:005> ~* k0  Id: 3ec8.2c20 Suspend: 1 Teb: 000000d2`92014000 Unfrozen# Child-SP          RetAddr               Call Site
00 000000d2`922ff798 00007fff`a3e45746     ntdll!NtWaitForSingleObject+0x14
01 000000d2`922ff7a0 00007fff`a60b5bf1     KERNELBASE!DeviceIoControl+0x86
02 000000d2`922ff810 00007ff6`9087a790     KERNEL32!DeviceIoControlImplementation+0x81
03 000000d2`922ff860 00007fff`a60b7614     conhost!ConsoleIoThread+0xd0
04 000000d2`922ff9e0 00007fff`a66a26a1     KERNEL32!BaseThreadInitThunk+0x14
05 000000d2`922ffa10 00000000`00000000     ntdll!RtlUserThreadStart+0x21
...2  Id: 3ec8.1b70 Suspend: 1 Teb: 000000d2`9201c000 Unfrozen# Child-SP          RetAddr               Call Site
00 000000d2`9227f858 00007fff`a4891b9e     win32u!NtUserGetMessage+0x14
01 000000d2`9227f860 00007ff6`908735c5     user32!GetMessageW+0x2e
02 000000d2`9227f8c0 00007fff`a60b7614     conhost!ConsoleInputThreadProcWin32+0x75
03 000000d2`9227f920 00007fff`a66a26a1     KERNEL32!BaseThreadInitThunk+0x14
04 000000d2`9227f950 00000000`00000000     ntdll!RtlUserThreadStart+0x21
...

2. 进程间如何通讯

这个问题再细化一点就是Client 端通过 Console.WriteLine($"i={i}"); 写入的内容是如何被 Server 端的conhost!ConsoleIoThread 方法接收到的。

熟悉 Windows 编程的朋友都知道：Console.WriteLine 的底层调用逻辑是 ntdll!NtWriteFile -> nt!IopSynchronousServiceTail ，前者是用户态进入到内核态的网关函数，后者是用户将irp丢到线程的请求包队列后进入休眠(KeWaitForSingleObject)，直到驱动提取并处理完之后唤醒。

说了这么多，怎么去验证呢？

客户端下断点


0: kd> !process 0 0 ConsoleApp2.exe
PROCESS ffffe001b5e51840SessionId: 1  Cid: 0e8c    Peb: 7ff7ab226000  ParentCid: 09d4DirBase: 18079000  ObjectTable: ffffc00036965200  HandleCount: <Data Not Accessible>Image: ConsoleApp2.exe0: kd> bp /p ffffe001b5e51840 nt!IopSynchronousServiceTail
0: kd> g
Breakpoint 0 hit
nt!IopSynchronousServiceTail:
fffff802`a94f3410 48895c2420      mov     qword ptr [rsp+20h],rbx
3: kd> k# Child-SP          RetAddr               Call Site
00 ffffd000`f6477988 fffff802`a94f2e80     nt!IopSynchronousServiceTail
01 ffffd000`f6477990 fffff802`a916db63     nt!NtWriteFile+0x680
02 ffffd000`f6477a90 00007ffc`2fed38aa     nt!KiSystemServiceCopyEnd+0x13
03 0000009f`0743dbd8 00007ffc`2cd1d478     ntdll!NtWriteFile+0xa
04 0000009f`0743dbe0 00000000`00000005     0x00007ffc`2cd1d478
05 0000009f`0743dbe8 0000009f`0743dcf0     0x5
06 0000009f`0743dbf0 0000009f`0978c9b8     0x0000009f`0743dcf0
07 0000009f`0743dbf8 00007ffc`2986e442     0x0000009f`0978c9b8
08 0000009f`0743dc00 0000009f`0743dc30     0x00007ffc`2986e442
09 0000009f`0743dc08 0000009f`0743de00     0x0000009f`0743dc30
0a 0000009f`0743dc10 00000000`00000005     0x0000009f`0743de00
0b 0000009f`0743dc18 00000000`00000000     0x53: kd> tc
nt!IopSynchronousServiceTail+0x70:
fffff802`a94f3480 e8ebf1b5ff      call    nt!IopQueueThreadIrp (fffff802`a9052670)

服务端下断点

conhost端的提取逻辑是在 conhost!ConsoleIoThread 方法中，它的内部调用的是 kernelbase!DeviceIoControl 函数，这个方法挺有意思，可以直接给驱动程序下达命令，方法签名如下：


BOOL DeviceIoControl(HANDLE       hDevice,DWORD        dwIoControlCode,LPVOID       lpInBuffer,DWORD        nInBufferSize,LPVOID       lpOutBuffer,DWORD        nOutBufferSize,LPDWORD      lpBytesReturned,LPOVERLAPPED lpOverlapped
);

提取完了之后会通过 conhost!DoWriteConsole 向控制台输出，接下来可以下个断点验证下。


0:000> bp conhost!DoWriteConsole
0:000> g
Breakpoint 0 hit
conhost!DoWriteConsole:
00007ff6`90876ec0 48895c2410      mov     qword ptr [rsp+10h],rbx ss:00000095`d627f738=0000000000000000
0:000> r
rax=000000000000000c rbx=00000095d627f7b0 rcx=000002370df76cc0
rdx=00000095d627f768 rsi=00000095d627f7c0 rdi=00000095d627f7f0
rip=00007ff690876ec0 rsp=00000095d627f728 rbp=00000095d627f8f9r8=000002370bedf010  r9=00000095d627f7b0 r10=000002370df76cc0
r11=000002370e0c9d00 r12=00000095d627f970 r13=000002370bedf010
r14=000002370bedf010 r15=0000000000000000
iopl=0         nv up ei pl zr na po nc
cs=0033  ss=002b  ds=002b  es=002b  fs=0053  gs=002b             efl=00000246
conhost!DoWriteConsole:
00007ff6`90876ec0 48895c2410      mov     qword ptr [rsp+10h],rbx ss:00000095`d627f738=0000000000000000
0:000> du 000002370df76cc0
00000237`0df76cc0  "i=18.."

可以看到果然有一个 i=18，这里要提醒一下，要想看方法的顺序逻辑，可以借助 perfview。

3. 为什么快捷编辑之后就卡死

conhost 的源码不是公开的，不过可以感官上推测出来。

快速编辑窗口被用户启用后， GetMessage 会感知到这个自定义的 MSG 消息。
这个消息的逻辑会让 server 处理Client消息的流程一直处于等待中，导致 Client 的 IopSynchronousServiceTail 不能被唤醒，导致一直处于阻塞中，类似 Task 的完成状态一直不被设置。

接下来可以验证下 快速编辑窗口 的处理消息码是多少，只要在控制台点一下鼠标。参考脚本如下：


0:004> bp win32u!NtUserGetMessage "dp ebp-30 L2 ; g"
0:004> g
00000095`d61ffae0  00000000`00130e6e 00000000`00000404
00000095`d61ffae0  00000000`00130e6e 00000000`00000404
00000095`d61ffae0  00000000`00130e6e 00000000`00000201
00000095`d61ffae0  00000000`00130e6e 00000000`00000405
00000095`d61ffae0  00000000`00130e6e 00000000`00000202
00000095`d61ffae0  00000000`00130e6e 00000000`00000200