提到soft lockup，大家都不會陌生：

BUG:softlockup-CPU#3stuckfor23s![kworker/332]

這個幾乎和panic，oops并列，也是非常難以排查甚至比panic更麻煩。至少panic之后你可以去分析一個靜態(tài)的尸體，然而soft lockup，那是一個動態(tài)的過程，甚至轉(zhuǎn)瞬即逝，自帶自愈功能。

那么soft lockup是由于什么原因?qū)е碌哪兀?/p>

幾乎沒有這方面的文章，能找到的也只有個別的案例分析，所以我想趁著周末降至來寫一篇關(guān)于soft lockup的通用解釋。

首先澄清兩個關(guān)于soft lockup的誤區(qū)：

soft lockup并不僅僅是由死循環(huán)引起的。

soft lockup并不是說在一段代碼里執(zhí)行了23秒，22秒。

這里簡單解釋一下上面的兩點(diǎn)。

事實(shí)上，死循環(huán)并不一定會導(dǎo)致soft lockup，比如Linux內(nèi)核生命周期內(nèi)的0號進(jìn)程就是一個死循環(huán)，此外很多的內(nèi)核線程都是死循環(huán)。

此外，更難指望一段代碼可以執(zhí)行20多秒，要對現(xiàn)代計算機(jī)的速度有所概念。

soft lockup發(fā)生的真實(shí)場景是：

soft lockup是針對單獨(dú)CPU而不是整個系統(tǒng)的。

soft lockup指的是發(fā)生的CPU上在20秒(默認(rèn))中沒有發(fā)生調(diào)度切換。

第一點(diǎn)無須解釋，下面重點(diǎn)看第二點(diǎn)。

很顯然，只要讓一個CPU在20秒左右的時間內(nèi)都不發(fā)生進(jìn)程切換，就會觸發(fā)soft lockup，這個“20秒內(nèi)不切換”就是soft lockup發(fā)生的根因！

好了，現(xiàn)在我們來看20秒不切換的場景。

死循環(huán)的情況
這是最簡單的場景，但細(xì)節(jié)往往不像看起來那么簡單。比如你寫了一個死循環(huán)在內(nèi)核中執(zhí)行，它一定會導(dǎo)致soft lockup嗎？

我們來看一個內(nèi)核死循環(huán)：

#include #include static int loop_func(void *arg){ int i = 0; while(!kthread_should_stop()) { i++; } return 0;} struct task_struct *kt;static int __init init_loop(void){ kt = kthread_run(loop_func, NULL, "loop_thread"); if (IS_ERR(kt)) { return -1; } return 0;} static void __exit exit_test(void){ kthread_stop(kt);} module_init(init_loop);module_exit(exit_loop);MODULE_LICENSE("GPL");

加載這個模塊，會soft lockup嗎？

我們知道，雖然loop thread是一個死循環(huán)，但是它看起來正如一個普通用戶態(tài)進(jìn)程一樣，在執(zhí)行i++循環(huán)的時候，其實(shí)是可以被其它task搶占掉的，這是最基本的進(jìn)程調(diào)度的常識。

但是如果你真的去加載這個模塊，你會發(fā)現(xiàn)在有些機(jī)器上，它確實(shí)會soft lockup，但有的機(jī)器上不會，這又是為什么？

這里的關(guān)鍵在于內(nèi)核搶占。你看下自己系統(tǒng)內(nèi)核的配置文件，如果下面的配置打開，意味著上述模塊的死循環(huán)不會造成soft lockup：

CONFIG_PREEMPT=y

如果這個配置沒有開，那么便刑不上內(nèi)核了，因?yàn)樗趦?nèi)核態(tài)執(zhí)行，所以沒有誰可以搶占它，進(jìn)而發(fā)生soft lockup。

我們對上述的死循環(huán)代碼是否會觸發(fā)soft lockup已經(jīng)很明確了，下面我們看另一種情況。

如果死循環(huán)不在內(nèi)核線程上下文，而是在軟中斷上下文，會怎樣？

很顯然，軟中斷不能被進(jìn)程搶占，所以一定會soft lockup。

當(dāng)然，如果真的發(fā)生了死循環(huán)導(dǎo)致的soft lockup，那肯定是在一個循環(huán)代碼中執(zhí)行超過20秒了，不說20秒，如果無人干涉，200000秒都是有的…

現(xiàn)在我們來看另一種復(fù)雜的情況，即timer的情況。在討論timer時，我假設(shè)系統(tǒng)的內(nèi)核搶占是開啟的，這樣更容易分類討論，否則，如果關(guān)閉了內(nèi)核搶占，那么事情會變得更加嚴(yán)重。

timer的情況

我們先看下面的timer回調(diào)函數(shù)：

static void timer_func(unsigned long data){ mdelay(1); mod_timer(&timer, jiffies + 200);}

僅僅執(zhí)行1ms的函數(shù)，它會導(dǎo)致超過20秒不調(diào)度切換的soft lockup嗎？

初看，應(yīng)該不會，但是如果我們詳細(xì)看了Linux內(nèi)核timer的執(zhí)行原理，就會明白：

pending在一個CPU上的所有過期timer是順序遍歷執(zhí)行的。

一輪timer的順序遍歷執(zhí)行是持有自旋鎖的。

這意味著在執(zhí)行一輪過期timer的過程中，watchdog實(shí)時線程將無法被調(diào)度從而喂狗，這意味著：

同一CPU上的過期timer積累到一定量，其回調(diào)函數(shù)的延時之和大于20秒，將會soft lockup。

我們需要進(jìn)一步了解一下Linux timer的工作機(jī)制。

可以把timer的執(zhí)行過程抽象成下面的邏輯：

run_timers(){ while (now > base.early_jiffies) { for_each_timer(timer, base.list) { detach_timer(timer) forward_early_jiffies(base) call_timer_fn(timer) } }}

很簡單的流程，內(nèi)核把當(dāng)前過期的timer執(zhí)行到結(jié)束。run_timers可以在軟中斷上下文中執(zhí)行，也可以在softirqd內(nèi)核線程上下文中執(zhí)行，為了營造soft lockup，我們假設(shè)它是在時鐘中斷退出時的軟中斷上下文中執(zhí)行的（記住之前還有個假設(shè)，即系統(tǒng)是開啟內(nèi)核搶占的！），此時，run_timers不能被watchdog搶占。

如果一個timer中耗時1ms，那么一個循環(huán)需要20000個timer遍歷執(zhí)行，才能湊齊20秒的不能被搶占的時間，進(jìn)而引發(fā)soft lockup。我的天，20000個timer，不可思議！

其實(shí)根本就不需要20000個timer，200個足矣！

問題就出現(xiàn)在call_timer_fn，它實(shí)際上是調(diào)用該timer回調(diào)函數(shù)的封裝！我們知道，timer回調(diào)函數(shù)中執(zhí)行了mod_timer的操作，它的邏輯如下：

mod_timer(timer, expires){ list_add_timer(timer, expires, base.list)}

它事實(shí)上是把timer又插回了list，如果我們把這個list看作是一條時間線的話，它事實(shí)上只是往后移了expires這么遠(yuǎn)的距離：

假設(shè)所有timer的expire都是固定的常量，如果：

我們的timer的足夠多，多到按照其expires重新requeue時恰好能填補(bǔ)中間的那段空隙。

我們的timer回調(diào)函數(shù)耗時恰好和timer的expires流逝速率相一致。

那么，兩個甚至多個batch就合并成了一個batch，這意味著一輪timer的執(zhí)行將不會結(jié)束！

我們來試一下：

#include #include #include static int stop = 1; // timer的數(shù)量static int size = 1;module_param(size, int, 0644);MODULE_PARM_DESC(size, "size"); // timer的expiresstatic int interval = 200;module_param(interval, int, 0644);MODULE_PARM_DESC(interval, ""); // 回調(diào)函數(shù)耗時static int dt = 100;module_param(dt, int, 0644);MODULE_PARM_DESC(dt, ""); struct wrapper { struct timer_list timer; spinlock_t lock;}; struct wrapper *wr; static void timer_func(unsigned long data){ int i = data; struct wrapper *w = &wr[i]; spin_lock_bh(&(w->lock)); if (stop == 0) { udelay(dt); // 以忙等模擬耗時 } spin_unlock_bh(&(w->lock)); w->timer.data = i; if (stop == 0) { mod_timer(&(w->timer), jiffies + interval); }} static int __init maint_init(void){ int i; wr = (struct wrapper *)kzalloc(size*sizeof(struct wrapper), GFP_KERNEL); for (i = 0; i < size; i++) { struct wrapper *w = &wr[i]; spin_lock_init(&(w->lock)); init_timer(&(w->timer)); w->timer.expires = jiffies + 20; w->timer.function = timer_func; w->timer.data = i; add_timer(&(w->timer)); } stop = 0; return 0;} static void __exit maint_exit(void){ int i; stop = 1; udelay(100); for (i = 0; i < size; i++) { struct wrapper *w = &wr[i]; del_timer_sync(&(w->timer)); } kfree(wr); } module_init(maint_init);module_exit(maint_exit);MODULE_LICENSE("GPL");

我的測試虛擬機(jī)HZ為1000，這意味1ms將會產(chǎn)生一次時鐘中斷，我們以每個timer函數(shù)持鎖執(zhí)行1ms，一共400個timer來加載模塊，看下結(jié)果：

單核跑滿，這意味著timer已經(jīng)拼接成龍，20秒后，我們將看到soft lockup：

事實(shí)上，每個timer回調(diào)函數(shù)delay 800us，一共200個timer即可觸發(fā)soft lockup！使用這個代碼，你基本可以確定你要測試的機(jī)器的timer執(zhí)行時間的安全閾值。

這就是timer導(dǎo)致的soft lockup的動力學(xué)。

關(guān)于HZ1000
1ms間隔的時鐘中斷對于服務(wù)器而言是悲哀的，1ms的時間無法容納太多的timer，也不允許每個timer中有哪怕稍微的合理耗時，1ms一次中斷很容易觸發(fā)run_timers在軟中斷上下文中被執(zhí)行，但很遺憾，這就是事實(shí)。

拋開timer不談，HZ1000更多的意義在于快速響應(yīng)事件而不是增加系統(tǒng)吞吐，這對服務(wù)器的單機(jī)性能是有傷害的！

說了這么多，現(xiàn)在讓我們考慮一下現(xiàn)實(shí)。

除了不要在內(nèi)核中寫死循環(huán)之外，我們也不應(yīng)該讓timer回調(diào)函數(shù)執(zhí)行過久，特別是系統(tǒng)中timer特別多，且expires特別短的情況下。

回到現(xiàn)實(shí)中，我們來看一個實(shí)例。

假設(shè)你使用的內(nèi)核版本還不支持TCP的lockless listener，那么我們特別要注意一個函數(shù)，即inet_csk_reqsk_queue_prune：

這是一個在TCP的per listener的timer中執(zhí)行的函數(shù)。

這個函數(shù)的實(shí)現(xiàn)采用兩層循環(huán)，循環(huán)耗時取決于：

外層循環(huán)：該listener的backlog大小，受程序配置控制。

內(nèi)層循環(huán)：該listener的半連接隊列的大小，受系統(tǒng)快照控制。

如果系統(tǒng)中的listener特別多，在收到SYN掃描攻擊時，特別容易陷入soft lockup的深淵！幸運(yùn)的是，這個問題已經(jīng)在TCP lockless listener的版本中修了，它的效果如下：

將per listener的半連接隊列timer換成了per request timer，減少了回調(diào)函數(shù)處理耗時。

per request timer增加了timer的數(shù)量，會不會抵消縮短回調(diào)耗時帶來的收益，需要攻擊來驗(yàn)證。

我們看一個相關(guān)issue和patch：
https://patchwork.ozlabs.org/patch/452426/

好了，再次回到核心主題。

觸發(fā)soft lockup的當(dāng)然不止死循環(huán)和timer，我只是用這兩個來說明soft lockup的動力學(xué)，即超過2倍的kernel.watchdog_thresh時間不能進(jìn)行進(jìn)程調(diào)度，就會觸發(fā)soft lockup告警。至于說stuck for 23s!那只是表象，并不是如其字面表達(dá)的那樣，23秒的時間在執(zhí)行一段代碼。

此外，頻繁的spinlock，rwlock也會導(dǎo)致soft lockup，我這有一個關(guān)于IPv6路由查詢機(jī)制的實(shí)例，詳情參見：
https://blog.csdn.net/dog250/article/details/91046131

總之，所有的情況將不勝枚舉，也不可能通過一篇文章來展示，所以說，遇到此類問題，還是要有一個明確的排查思路或者說范式，才能快速定位問題的根因并且解決之。

當(dāng)然了，經(jīng)理并不關(guān)注這些爛八七糟的東西。