内核如何检测soft lockup与hard lockup?

所谓lockup,是指某段内核代码占着CPU不放。Lockup严重的情况下会导致整个系统失去响应。Lockup有几个特点:

  • 首先只有内核代码才能引起lockup,因为用户代码是可以被抢占的,不可能形成lockup;
  • 其次内核代码必须处于禁止内核抢占的状态(preemption disabled),因为Linux是可抢占式的内核,只在某些特定的代码区才禁止抢占,在这些代码区才有可能形成lockup。

Lockup分为两种:soft lockup 和 hard lockup,它们的区别是 hard lockup 发生在CPU屏蔽中断的情况下。

  • Soft lockup是指CPU被内核代码占据,以至于无法执行其它进程。检测soft lockup的原理是给每个CPU分配一个定时执行的内核线程[watchdog/x],如果该线程在设定的期限内没有得到执行的话就意味着发生了soft lockup。
  • Hard lockup比soft lockup更加严重,CPU不仅无法执行其它进程,而且不再响应中断。检测hard lockup的原理利用了PMU的NMI perf event,因为NMI中断是不可屏蔽的,在CPU不再响应中断的情况下仍然可以得到执行,它再去检查时钟中断的计数器hrtimer_interrupts是否在保持递增,如果停滞就意味着时钟中断未得到响应,也就是发生了hard lockup。

Linux kernel设计了一个检测lockup的机制,称为NMI Watchdog,是利用NMI中断实现的,用NMI是因为lockup有可能发生在中断被屏蔽的状态下,这时唯一能把CPU抢下来的方法就是通过NMI,因为NMI中断是不可屏蔽的。NMI Watchdog 中包含 soft lockup detector 和 hard lockup detector,2.6之后的内核的实现方法如下。

NMI Watchdog 的触发机制包括两部分:

  1. 一个高精度计时器(hrtimer),对应的中断处理例程是kernel/watchdog.c: watchdog_timer_fn(),在该例程中:
    • 要递增计数器hrtimer_interrupts,这个计数器供hard lockup detector用于判断CPU是否响应中断;
    • 还要唤醒[watchdog/x]内核线程,该线程的任务是更新一个时间戳;
    • soft lock detector检查时间戳,如果超过soft lockup threshold一直未更新,说明[watchdog/x]未得到运行机会,意味着CPU被霸占,也就是发生了soft lockup。
  2. 基于PMU的NMI perf event,当PMU的计数器溢出时会触发NMI中断,对应的中断处理例程是 kernel/watchdog.c: watchdog_overflow_callback(),hard lockup detector就在其中,它会检查上述hrtimer的中断次数(hrtimer_interrupts)是否在保持递增,如果停滞则表明hrtimer中断未得到响应,也就是发生了hard lockup。

hrtimer的周期是:softlockup_thresh/5。
注:

  • 在2.6内核中:
    softlockup_thresh的值等于内核参数kernel.watchdog_thresh,默认60秒;
  • 而到3.10内核中:
    内核参数kernel.watchdog_thresh名称未变,但含义变成了hard lockup threshold,默认10秒;
    soft lockup threshold则等于(2*kernel.watchdog_thresh),即默认20秒。

NMI perf event是基于PMU的,触发周期(hard lockup threshold)在2.6内核里是固定的60秒,不可手工调整;在3.10内核里可以手工调整,因为直接对应着内核参数kernel.watchdog_thresh,默认值10秒。

检测到 lockup 之后怎么办?可以自动panic,也可输出条信息就算完了,这是可以通过内核参数来定义的:

  • kernel.softlockup_panic: 决定了检测到soft lockup时是否自动panic,缺省值是0;
  • kernel.nmi_watchdog: 定义是否开启nmi watchdog、以及hard lockup是否导致panic,该内核参数的格式是”=[panic,][nopanic,][num]”.
    (注:最新的kernel引入了新的内核参数kernel.hardlockup_panic,可以通过检查是否存在 /proc/sys/kernel/hardlockup_panic来判断你的内核是否支持。)

参考资料:

Softlockup detector and hardlockup detector (aka nmi_watchdog)

kernel/watchdog.c:
设置PMU NMI perf event的代码 wachdog_nmi_enable()
响应NMI perf overflow中断的代码 watchdog_overflow_callback()
[watchdog/x]内核线程 watchdog()
响应hrtimer中断的代码 watchdog_timer_fn()