DotTrace系列：4. 诊断窗体程序变卡之原因分析

一：背景

1. 讲故事

写这一篇是因为昨天看 dottrace 官方文档时，在评论区看到了一条不友好的评论，截图如下：

虽然语气上带有些许愤怒，但说实话人家也不是无中生有，作为 dottrace 的忠实粉丝我还是能够理解他的心情的，所以这篇我用最新的 2025.01 版 dottrace 来演示一下，时过境迁有些功能和性能基准虽然已经不一样了。

话不多说我们开始吧。

二：程序变卡分析

1. 现象描述

案例代码是一个窗体程序，它可以将上传文件的内容按行反转，比如说 abcd -> dcba，我准备了一个 1G 的日志文件，在程序运行过程中我发现程序特别吃内存，而且在处理过程中明显发现程序卡卡的，能否帮我分析下到底怎么回事，案例代码可下载：https://github.com/DarthWeirdo/dotTrace_Timeline_Get_Started

上面的项目下载好之后，一定要改成 x64 位的，运行之后截图如下：

因果论中的 果，现在我们知道了，接下来就是由果推因，那怎么推呢？使用 dotTrace 哈。

2. dotTrace 分析

使用 timeline 模式对 MassFileProcessing 程序进行性能数据收集，最后的性能图表如下：

这里面有几个概念要解释：

UI Freeze

简而言之就是如果 UI 超过 200ms 都不响应用户，就属于 Freeze，可能有些朋友比较懵，上一段代码参考如下：

int APIENTRY wWinMain(_In_ HINSTANCE hInstance,                     _In_opt_ HINSTANCE hPrevInstance,                     _In_ LPWSTR    lpCmdLine,                     _In_ int       nCmdShow){    MSG msg;// Main message loop:while (GetMessage(&msg, nullptr, 0, 0))    {if (!TranslateAccelerator(msg.hwnd, hAccelTable, &msg))        {            TranslateMessage(&msg);            DispatchMessage(&msg);        }    }return (int) msg.wParam;}

这里的 Freeze 原因有很多，常见的有如下三种：

由于queue队列积压，导致用户投送过来的消息，GetMessage 在 200ms 内无法及时取到。
由于用户投送过来的是长耗时任务，导致 DispatchMessage 在 200ms 内无法处理完。
由于gc触发，导致 UI 被 Suspend >200 ms。

再回头观察上面的面板，可以看到冻结时间高达 UI Freeze =11.4s。

2. 子模块条状时间分布

从条状图上可以看到，11s 的时间主要被 GCWait 和 WPF 这块吃掉了，前者占比50%，后者占比43%，接下来稍微解释下这两个词的概念:

GCWait 当前线程等待其他线程GC操作完成而处于的一种等待状态，比如下面的截图：

WPF UI处理相关的业务逻辑，比如UI更新等等。

接下来我们就要逐个分析这两块了。

3. 为什么GC Wait 高达 50%

观察 Main 时间轴上可以看到有很多间断的 灰色区域，这些灰色区域即是所谓的暂停(GC wait)，截图如下：

根据CLR的相关知识，只有两种原因会导致 GC Wait 产生。

完整的 blocking GC，即著名的 STW 机制。
background gc 三阶段中的 blocking 阶段，这块我的训练营里说的很细。

有了这个思路，接下来就是观察到底是哪个线程触发的，在 Visible Threads 中按需选择线程，这里我就勾上 CLR Worker和 Garbage Collection 线程，这里稍微提一下，2025版的 dottrace 新增了多tab页模式，这个太方便了，现在我可以多tab分析了，因为我用windbg 的时候也是这么玩的，非常利于分析加速，截图如下：

Gargage Collection 和 CLR Worker 都出来后，缩小时间轴，宏观的观测下Main灰色和其他线程的深蓝色，截图如下：

从卦中可以清晰的看到很多的Main阻塞看起来是 CLR Worker 触发GC导致的，那是不是的呢？观察一下便知哈，将时间轴稍微调整下，选择 Flame Graph 火焰图，从中就有 plan_phase，这是GC三阶段中经典的计划阶段，截图如下：

接下来就要思考了，为什么会触发那么多次GC，这些GC是大GC还是小GC呢？要调查这个原因，可以单独勾选 CLR Worker 线程，可以看到如下信息：阻塞式GC高达 92.7% 同时 1代GC 高达 71.7%，截图如下：

根据dump分析经验，看样子 UI 卡卡的和过频的GC有关。GC触发本质是要到gc堆上捞垃圾，所以肯定有人在不断的丢垃圾，所以从这个角度继续突破，选择 .NET Memory Allocation 事件，然后观察 hotspots 区域，可以看到总计 12G 的内存分配，Reverse方法就独吞 4.9G，说明还是非常吃内存的，截图如下：

点击源代码观察，参考如下：

internalclassStringReverser    {privatereadonlystring _original;publicStringReverser(string original)        {            _original = original;        }publicstringReverse()        {char[] charArray = _original.ToCharArray();            Array.Reverse(charArray);returnnewstring(charArray);        }    }

从卦中可以看到这块会产生很多的临时 char[] 和 string 对象，在1G日志的加持下导致GC频繁触发，在后续版本优化中这块是一个非常重要的点，可能你需要用 ArrayPool 或者 Span 等机制来减少临时对象的过多产生。

4. 为什么 WPF 高达 42%

WPF占比过高其实也意味着更新UI的操作比较频繁，这种情况也会导致程序在响应UI方面会有所延迟，那到底是谁在频繁的更新 UI呢？

可以勾选上 Running , WPF 等选项，然后观察 火焰图，截图如下：

从卦中的火焰图中的 Dispatcher.ProcessQueue() 方法可以判断当前真的是频繁的更新UI，因为WPF在忙碌的处理队列，而它的发起者正是 ProcessInProgress 方法，观察方法的源码，参考如下：

privatevoidProcessInProgress(object sender, ProgressChangedEventArgs e)        {var upd = (ProgressUpdater)e.UserState;            lblProgress.Content = $"File {upd.CurrentFileNmb} of {upd.TotalFiles}: {e.ProgressPercentage}%";        }privatevoidProcessFiles(object sender, DoWorkEventArgs evts)        {try            {                _updater.TotalFiles = FilePaths.Count;for (var i = 0; i < FilePaths.Count; i++)                {                    EmKeyPress();                    _updater.CurrentFileNmb = i + 1;var path = FilePaths[i];                    _lines = File.ReadAllLines(path);for (var j = 0; j < _lines.Length; j++)                    {var line = _lines[j];var stringReverser = new StringReverser(line);                        _lines[j] = stringReverser.Reverse();if (j % 5 == 0)                        {var p = (float)(j + 1) / _lines.Length * 100;                            Worker.ReportProgress((int)p, _updater);                        }                    }                    File.WriteAllLines(path, _lines);                }            }catch (Exception e)            {                MessageBox.Show(e.ToString());            }        }