[原]调试PInvoke导致的内存破坏

缘起

最近项目中遇到一个诡异的问题，程序在升级到.net4.6.1后，执行某个功能时会崩溃，提示访问只读内存区。大概规律如下:

debug版不崩溃，release版稳定崩溃。
只有x64位的程序崩溃，32位及anycpu编译出来的程序运行不会崩溃。
出问题的代码范围很小（按钮点击事件代码不多）。

根据以上信息，各位小伙伴有什么思路吗？

排查

由于release版可以稳定重现，而且范围不大，故通过二分法（每次注释掉一半代码，看看是否崩溃，如果崩溃，接着注释掉一半代码，如果不崩溃说明崩溃跟注释掉的那段代码有关...）很快定位到了导致问题的代码。

最后发现并不是由于升级.net版本导致的，而是程序本身的问题：

代码中通过P/Invoke调用了原生 API GlobalMemoryStatus()。在定义MemoryStatus结构体的时候强制按4字节定义了每一个字段。而在x64下MemoryStatus结构体中的成员有些不是4字节大小，而是8字节大小！这样，传递给GlobalMemoryStatus()的MemoryStatus参数（32字节）比GlobalMemoryStatus()预期的（56字节）小，导致GlobalMemoryStatus写了不该写的内存！????????????

重现

我把有问题的代码独立出来了，完整的测试代码如下(请编译x64版本)：

using System;
using System.Runtime.InteropServices;
namespace ConsoleApplication1
{
  class Program
  {
    [StructLayout(LayoutKind.Sequential)]
    public struct MemoryStatus
    {
      [MarshalAs(UnmanagedType.U4)]
      public uint dwLength;
      [MarshalAs(UnmanagedType.U4)]
      public uint dwMemoryLoad;
      [MarshalAs(UnmanagedType.U4)]
      public uint dwTotalPhys;
      [MarshalAs(UnmanagedType.U4)]
      public uint dwAvailPhys;
      [MarshalAs(UnmanagedType.U4)]
      public uint dwTotalPageFile;
      [MarshalAs(UnmanagedType.U4)]
      public uint dwAvailPageFile;
      [MarshalAs(UnmanagedType.U4)]
      public uint dwTotalVirtual;
      [MarshalAs(UnmanagedType.U4)]
      public uint dwAvailVirtual;
    }

    [DllImport("kernel32.dll")]
    public static extern void GlobalMemoryStatus(ref MemoryStatus memoryStatus);
    class CMyClass
    {
      public int n1 = 0;
    }
    struct CMyStruct
    {
      public CMyClass data;
    }
    static void Main(string[] args)
    {
      CMyStruct myObj = new CMyStruct(); myObj.data = new CMyClass();
      MemoryStatus memoryStatus = new MemoryStatus();
      // this line will corrupt the stack if we run in x64.
      // because memoryStatus is defined on the stack.
      GlobalMemoryStatus(ref memoryStatus);
      // myObj.data is corrupted
      System.Console.WriteLine("{0}", myObj.data);
    }
  }
}

修复

只需要定义MemoryStatus的时候，注意字段的大小即可。正确的MemoryStatus定义如下：

public struct MemoryStatus
{
  [MarshalAs(UnmanagedType.U4)]
  public uint dwLength;
  [MarshalAs(UnmanagedType.U4)]
  public uint dwMemoryLoad;
  // 以下字段 4 bytes on 32-bit Windows, 8 bytes on 64-bit Windows.
  [MarshalAs(UnmanagedType.SysUInt)]
  public IntPtr dwTotalPhys;
  [MarshalAs(UnmanagedType.SysUInt)]
  public IntPtr dwAvailPhys;
  [MarshalAs(UnmanagedType.SysUInt)]
  public IntPtr dwTotalPageFile;
  [MarshalAs(UnmanagedType.SysUInt)]
  public IntPtr dwAvailPageFile;
  [MarshalAs(UnmanagedType.SysUInt)]
  public IntPtr dwTotalVirtual;
  [MarshalAs(UnmanagedType.SysUInt)]
  public IntPtr dwAvailVirtual;
}

思考

为什么debug版不崩溃？而release版会崩溃？
我在测试机器上调查的原因是debug版本运行的时候，关键内存恰巧没被破坏（太“幸运”或者太不幸了），而在release版本中暴露了问题。可能在其它机器上debug版本也会崩溃或者发生其它诡异的问题。
说明：测试代码与项目中的实际代码不一样，有可能现象不一样，但问题的本质是一样的。
为什么运行Any CPU编译出来的程序不崩溃？
当Platform target是Any CPU的时候，在工程属性，Build下的Prefer 32-bit的选项默认是勾选的，编译的程序会作为 32 位进程运行，所以不会崩溃。如果取消勾选，则编译出来的程序会作为 64 位应用程序运行，会崩溃。

build settings

关于Platform target的作用，具体参考《CLR via C#》，下图是从《CLR via C#》中文版第 4 版上截取的。

/platform option 截自《CLR via C#》

总结

.net程序中，令人头疼的内存破坏问题很难出现了，这极大的提高了程序的稳定性。如果出现堆破坏，很有可能跟P/Invoke或者unsafe代码相关，可以重点排查相关代码。

启用托管调试助手(Managed Debugging Assistants, 下文简称MDAs) 有时候会对调试问题有极大的帮助，虽然我这次调试没有借助MDAs，但我第一个想到的就是MDAs。

关于MDAs的介绍请参考参考资料第一条。

参考资料

Managed Debugging Assistants^[1]
GlobalMemoryStatus^[2]
《CLR via C#》^[3]

References

[1] Managed Debugging Assistants:
https://docs.microsoft.com/en-us/dotnet/framework/debug-trace-profile/diagnosing-errors-with-managed-debugging-assistants

[2] GlobalMemoryStatus:
https://docs.microsoft.com/zh-cn/windows/win32/api/winbase/nf-winbase-globalmemorystatus?redirectedfrom=MSDN

[3] 《CLR via C#》:

https://book.douban.com/subject/4924165/