kprobe分析內核kworker占用CPU 100%問題總結

Create by Billow.Jen，2020.3.8

前言

利用linux kernel 動態追蹤技術，排查問題本身就可能會變成一個非常有趣的過程，讓我們遇到線上的詭異問題就感到興奮，就仿佛好不容易又逮著機會，可以去解一道迷人的謎題。

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一、系統問題說明

背景說明

負載均衡模塊獨立主機部署，運行BIRD、quagga、nftbl、contiv、ovs等進程，實現網絡NAT功能。
內核版本：centos7-4.19.8

問題描述

在調用nftlb寫入nft規則的過程中，發現部分主機性能低（因操作系統為centos且內核進行了升級，紅帽服務不支持。）
過程如下：
1、執行命令：

time ip netns exec vpc067871207-lbalance curl -H "Key: spidernet" -X POST http://127.0.0.1:06787/farms --data '{"farms":[{"name":"b1","family":"ipv4","virtual-addr":"XX.XX.XX.XX","virtual-ports":"1001","mode":"snat","protocol":"tcp","scheduler":"weight","state":"up","backends":[{"name":"bck01","ip-addr":"192.168.0.1","port":"80","weight":"5","mark":"0x00000001","priority":"1","state":"up"}]}]}'

該命令正常應該在0.2ms內完成，但在部分主機上耗時到2、3s。
2、利用strace命令跟蹤：

strace -tt -T -v -f  -s 1024 -p 2727846

發現耗時在sendmsg(AF_NETLINK…)函數上，有長有短，短的在幾十us，但有四個長在0.5s左右的sendmsg，如：
[外鏈圖片轉存失敗,源站可能有防盜鏈機制,建議將圖片保存下來直接上傳(img-eAfNbx6U-1584208688223)(en-resource://database/1982:1)]
3、繼續分析主機進程，發現一個進程kworker一直100%
[外鏈圖片轉存失敗,源站可能有防盜鏈機制,建議將圖片保存下來直接上傳(img-QxeEl9NA-1584208688224)(en-resource://database/1984:1)]
4、觀察主機性能，nmon如下：[外鏈圖片轉存失敗,源站可能有防盜鏈機制,建議將圖片保存下來直接上傳(img-ewVOFHNl-1584208688225)(en-resource://database/1990:1)]
此時主機內存、cpu、網絡、存儲都很空閑，但中斷比正常主機高1~2倍。
5、用perf工具查看kworker耗時
[外鏈圖片轉存失敗,源站可能有防盜鏈機制,建議將圖片保存下來直接上傳(img-CEyDfmjJ-1584208688226)(en-resource://database/1988:1)]
6、網卡中斷，經確認（/proc/interrupts）網卡中斷分布在每個cpu上，網絡中斷均衡
7、繼續ftrace，分析事件：

cd /sys/kernel/debug/tracing
echo wakeup_rt > current_tracer
echo 0 > options/function-trace
echo 1 > events/enable
echo 1 > tracing_on
echo 0 > tracing_max_latency
chrt -f 5 sleep 1
echo 0 > tracing_on
cat trace

結果沒有針對性，不具備進一步分析條件。初步問題分析完了，下步進行內核態深度分析。

小結

內核該kworker進程的性能影響了work處理效率，導致內核較慢，響應sendmsg的work延遲，導致curl耗時長。

二、內核性能分析、跟蹤工具簡述

ftrace、kprobe、perf、operf/oprofile、systemtap都是跟蹤內核的好工具，但有所區別。
Linux內核提供的基礎設施：

1. tarcepoints => 靜態探測點
2. kprobe => 內核態動態探測點(kernel/kprobe.c, example:sample/kprobe)
3. uprobe => 用戶態動態探測點(kernel/events/uprobe.c)

• ftrace是后面工具的基礎，但使用比較繁瑣
• perf可圖形化展示函數耗時，但不能自定義跟蹤調試。
• operf/oprofile依賴vmlinux，并且得帶有debug信息。
• systemtap依賴太多，kernel-debuginfo、內核編譯參數等等，生產環境基本不可用。

kprobe作為輕量級內核調試工具，在診斷內核bug時有著先天獨厚的優勢，相關其他工具，kprobe有如下優點：
1、不用更新內核
2、可以以模塊的形式加載進內核，用完后直接卸載即可，不會對內核造成污染
3、動態跟蹤，自由構造，靈巧輕便。

經過大量實驗探索，依賴少并可深入自定義的，kprobe勝出。

三、利用kprobe分析kworker行為

調試源碼見附錄，kprobe使用及原理自行學習，本文不做基礎介紹，重點在思路、步驟，主要展示方法論的形成過程。
準備工作，說明下kprobe的參數示例：

    struct file *file = (struct file *)regs->di;
    //因為x86的參數傳遞規則是di，si，dx，cx，r8，r9，所以di就是vfs_write的第一個參數。arm默認是r0，r1，r2，r3，相應的取r0

看看kworker在做什么：

[root@04b280305 kprobe]# cat /proc/352560/stack
[<0>] insert_work+0x6e/0xa0
[<0>] __queue_work+0x131/0x3b0
[<0>] queue_work_on+0x28/0x40
[<0>] rht_deferred_worker+0x8b/0x3e0
[<0>] process_one_work+0x179/0x390
[<0>] worker_thread+0x4f/0x3e0
[<0>] kthread+0x105/0x140
[<0>] ret_from_fork+0x35/0x40
[<0>] 0xffffffffffffffff

可知，rht_deferred_worker是特定任務，需要重點分析。
寫kprobe代碼對rht_deferred_worker函數加探針，分析rht_deferred_worker事件（/var/log/messages，當時dmesg沒記錄被覆蓋了，所以從messages中直接看）：

[root@04b280305 kprobe]# grep rht_deferred_worker /var/log/messages |tail
Mar  9 21:35:14 04b280305 kernel: <rht_deferred_worker> pre_handler: 813f99c0
Mar  9 21:35:14 04b280305 kernel: <rht_deferred_worker> post_handler: 813f99c0
Mar  9 21:35:14 04b280305 kernel: <rht_deferred_worker> pre_handler: 813f99c0
Mar  9 21:35:14 04b280305 kernel: <rht_deferred_worker> post_handler: 813f99c0
Mar  9 21:35:14 04b280305 kernel: <rht_deferred_worker> pre_handler: 813f99c0

看看813f99c0是什么work：

[root@04b280305 kprobe]# cat /proc/kallsyms |grep 813f99c0
ffffffff813f99c0 t rht_deferred_worker

分析rht_deferred_worker源碼，得知在重新分配或者收縮失敗時，會觸發插入work：rht_deferred_worker，此處是關鍵。

static void rht_deferred_worker(struct work_struct *work)
{
    struct rhashtable *ht;
    struct bucket_table *tbl;
    int err = 0;
    ht = container_of(work, struct rhashtable, run_work);
    mutex_lock(&ht->mutex);
    tbl = rht_dereference(ht->tbl, ht);
    tbl = rhashtable_last_table(ht, tbl);
    if (rht_grow_above_75(ht, tbl))
        err = rhashtable_rehash_alloc(ht, tbl, tbl->size * 2);
    else if (ht->p.automatic_shrinking && rht_shrink_below_30(ht, tbl))
        err = rhashtable_shrink(ht);
    else if (tbl->nest)
        err = rhashtable_rehash_alloc(ht, tbl, tbl->size);
    if (!err)//出錯時，返回非0，執行不到
        err = rhashtable_rehash_table(ht);
    mutex_unlock(&ht->mutex);
    if (err)
        schedule_work(&ht->run_work);
        /*上行是關鍵，造成了死循環*/
}

確認下是alloc失敗還是shrink失敗：
寫kprobe代碼對 rhashtable_rehash_alloc函數加探針，查看結果：

Mar  9 22:50:03 04b280305 kernel: Planted kprobe at rhashtable_rehash_alloc+0x0/0x50
Mar  9 22:50:07 04b280305 kernel: kprobe at rhashtable_rehash_alloc+0x0/0x50 unregistered

只執行了一次，說明不是alloc的問題，繼續分析shrink，rhashtable_shrink不是系統導出符號，不能kprobe，看下源碼：

static int rhashtable_shrink(struct rhashtable *ht)
{
    struct bucket_table *old_tbl = rht_dereference(ht->tbl, ht);
    unsigned int nelems = atomic_read(&ht->nelems);
    unsigned int size = 0;
    if (nelems)
        size = roundup_pow_of_two(nelems * 3 / 2);
    if (size < ht->p.min_size)
        size = ht->p.min_size;
    if (old_tbl->size <= size)
        return 0;
    if (rht_dereference(old_tbl->future_tbl, ht))
        return -EEXIST;
    return rhashtable_rehash_alloc(ht, old_tbl, size);
}

寫了個test_shirnk的探測函數，一安裝服務器崩了…
去看看高版本內核，從5.1版本解決了此問題：

static void rht_deferred_worker(struct work_struct *work)
{
	struct rhashtable *ht;
	struct bucket_table *tbl;
	int err = 0;
	ht = container_of(work, struct rhashtable, run_work);
	mutex_lock(&ht->mutex);

	tbl = rht_dereference(ht->tbl, ht);
	tbl = rhashtable_last_table(ht, tbl);

    if (rht_grow_above_75(ht, tbl))
		err = rhashtable_rehash_alloc(ht, tbl, tbl->size * 2);
    else if (ht->p.automatic_shrinking && rht_shrink_below_30(ht, tbl))
    	err = rhashtable_shrink(ht);
	else if (tbl->nest)
		err = rhashtable_rehash_alloc(ht, tbl, tbl->size);
  
    /*此塊代碼，修復了BUG*/  
	if (!err || err == -EEXIST) {
		int nerr;
		nerr = rhashtable_rehash_table(ht);
		err = err ?: nerr;
	}

mutex_unlock(&ht->mutex);
if (err)
		schedule_work(&ht->run_work);
}

BUG說明：
rhashtable: Still do rehash when we get EEXIST
As it stands if a shrink is delayed because of an outstanding
rehash, we will go into a rescheduling loop without ever doing
the rehash.

This patch fixes this by still carrying out the rehash and then
rescheduling so that we can shrink after the completion of the
rehash should it still be necessary.

The return value of EEXIST captures this case and other cases
(e.g., another thread expanded/rehashed the table at the same
time) where we should still proceed with the rehash.

Fixes: da20420 (“rhashtable: Add nested tables”)

英文不知所云，我自己的理解是：
哈希表收縮時（rhashtable_shrink），會去判斷該表是否被間接引用，如果存在則不縮容，返回-EEXIST。
v5.1之前的版本，該返回值會觸發重新生成一個rht_deferred_worker的work，這樣就形成了遞歸，如果間接引用一直存在則形成死循環，導致CPU 100%。
v5.1之后的版本，該返回值會觸發重新哈希，若此期間間接引用還存在則返回0，不再會觸發產生新rht_deferred_worker的work，以此來解決BUG。

探測完注意盡快卸載驅動，影響性能，會打印大量日志，并且可能會把服務器搞崩

四、打patch，修復BUG

從https://www.kernel.org下載patch文件，升級解決。

$ diff -up linux-4.19.8-1/lib/rhashtable.c linux-4.19.8-2/lib/rhashtable.c > rht_patch
$ patch -p1 < rht_patch

五、總結回顧

遇到操作系統性能或功能問題，可采用如下步驟定位：

1. 通過top工具，確定問題進程
2. 使用strace分析系統調用耗時或阻塞情況
3. 使用nmon工具，查看系統中斷、負載、cpu、內存、IO、net等情況，分析是否正常，初步判斷可能存在的問題
4. 使用perf工具，分析函數棧性能
5. 查詢資料、閱讀相關源碼，初步判斷位置
6. 若問題可在測試環境復現，使用systemtap工具進行跟蹤分析
7. 若問題在生產環境上可遇不可求，使用kprobe工具進行動態分析
8. 定位問題后，查看高版本是否修復
9. 若修復則通過kernel官網patch升級；未修復時，若自己可修，則自改自測，否則git上提交bug

內核調試博大精深，本文非常有局限性，具體問題還得具體分析

推薦幾個鏈接：
https://zhuanlan.zhihu.com/p/71437161
https://www.csdndoc.com/article/8015807
https://blog.csdn.net/yuntongsf/article/details/78707576

附kprobe探測代碼

Talk is cheap，show you the code！
kprobe_kworker.c

#include <linux/kernel.h>
#include <linux/module.h>
#include <linux/kprobes.h>

#define MAX_SYMBOL_LEN    64
static char symbol[MAX_SYMBOL_LEN] = "rht_deferred_worker";
//rht_deferred_worker可根據需要改成要探測的函數
module_param_string(symbol, symbol, sizeof(symbol), 0644);

/* For each probe you need to allocate a kprobe structure */
static struct kprobe kp = {
    .symbol_name    = symbol,
};

/* kprobe pre_handler: called just before the probed instruction is executed */
static int handler_pre(struct kprobe *p, struct pt_regs *regs)
{
#ifdef CONFIG_X86
pr_info("<%s>,pid = %ld\n",current->comm, current->pid);
struct work_struct *work = (struct work_struct *)regs->di;
pr_info("<%s> pre_handler: %x\n",p->symbol_name,work->func);

#endif
#ifdef CONFIG_ARM64
    pr_info("<%s> pre_handler: p->addr = %pF, pc = 0x%lx,"
            " pstate = 0x%lx\n",
        p->symbol_name, p->addr, (long)regs->pc, (long)regs->pstate);
#endif

    /* A dump_stack() here will give a stack backtrace */
    return 0;
}

/* kprobe post_handler: called after the probed instruction is executed */
static void handler_post(struct kprobe *p, struct pt_regs *regs,
                unsigned long flags)
{
#ifdef CONFIG_X86
struct work_struct *work = (struct work_struct *)regs->di;
pr_info("<%s> post_handler: %x\n",p->symbol_name,work->func);

//    pr_info("<%s> post_handler: p->addr = %pF, flags = 0x%lx\n",
 //       p->symbol_name, p->addr, regs->flags);
#endif
#ifdef CONFIG_ARM64
    pr_info("<%s> post_handler: p->addr = %pF, pstate = 0x%lx\n",
        p->symbol_name, p->addr, (long)regs->pstate);
#endif
}

/*
 * fault_handler: this is called if an exception is generated for any
 * instruction within the pre- or post-handler, or when Kprobes
 * single-steps the probed instruction.
 */
static int handler_fault(struct kprobe *p, struct pt_regs *regs, int trapnr)
{
    pr_info("fault_handler: p->addr = %pF, trap #%dn", p->addr, trapnr);
    /* Return 0 because we don't handle the fault. */
    return 0;
}

static int __init kprobe_init(void)
{
    int ret;
    kp.pre_handler = handler_pre;
    kp.post_handler = handler_post;
    kp.fault_handler = handler_fault;

    ret = register_kprobe(&kp);
    if (ret < 0) {
        pr_err("register_kprobe failed, returned %d\n", ret);
        return ret;
    }
    pr_info("Planted kprobe at %pF\n", kp.addr);
    return 0;
}

static void __exit kprobe_exit(void)
{
    unregister_kprobe(&kp);
    pr_info("kprobe at %pF unregistered\n", kp.addr);
}

module_init(kprobe_init)
module_exit(kprobe_exit)
MODULE_LICENSE("GPL");

Makefile

obj-m := kprobe_kworker.o
KBUILD_EXTRA_SYMBOLS:=/mod_a/Module.symvers

CROSS_COMPILE=''

KDIR := /lib/modules/4.19.8-1.el7.elrepo.x86_64/build
all:
        make -C $(KDIR) M=$(PWD) modules
clean:
        rm -f *.ko *.o *.mod.o *.mod.c .*.cmd *.symvers  modul*

執行命令

make
insmod kprobe_kworker.ko
rmmod kprobe_kworker.ko

dmesg查看結果

dmesg 

總結

以上是生活随笔為你收集整理的kprobe分析内核kworker占用CPU 100%问题总结的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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