soft lockup和hard lockup介绍

在linux kernel里，有一个debug选项LOCKUP_DETECTOR。

使能它可以打开kernel中的soft lockup和hard lockup探测。

这两个东西到底有什么用处那？

首先，soft/hard lockup的实现在kernel/watchdog.c中，

主体涉及到了3个东西：kernel线程，时钟中断，NMI中断（不可屏蔽中断）。

这3个东西具有不一样的优先级，依次是kernel线程 < 时钟中断 < NMI中断。

而正是用到了他们之间优先级的区别，所以才可以调试系统运行中的两种问题：

1. 抢占被长时间关闭而导致进程无法调度（soft lockup）

2. 中断被长时间关闭而导致更严重的问题（hard lockup）

接下来我们从具体代码入手分析linux（3.10）是如何实现这两种lockup的探测的：

static struct smp_hotplug_thread watchdog_threads = {
	.store			= &softlockup_watchdog,
	.thread_should_run	= watchdog_should_run,
	.thread_fn		= watchdog,
	.thread_comm		= "watchdog/%u",
	.setup			= watchdog_enable,
	.park			= watchdog_disable,
	.unpark			= watchdog_enable,
};
 
void __init lockup_detector_init(void)
{
	set_sample_period();
	if (smpboot_register_percpu_thread(&watchdog_threads)) {
		pr_err("Failed to create watchdog threads, disabled\n");
		watchdog_disabled = -ENODEV;
	}
}

首先，系统会为每个cpu core注册一个一般的kernel线程，名字叫watchdog/0, watchdog/1...以此类推。

这个线程会定期得调用watchdog函数

static void __touch_watchdog(void)
{
	__this_cpu_write(watchdog_touch_ts, get_timestamp());
}
 
static void watchdog(unsigned int cpu)
{
	__this_cpu_write(soft_lockup_hrtimer_cnt,
			 __this_cpu_read(hrtimer_interrupts));
	__touch_watchdog();
}

我们先不理会这个线程处理函数watchdog多久被调用一次，我们就先简单的认为，这个线程是负责更新watchdog_touch_ts的。

然后我们要看一下时钟中断了：

static void watchdog_enable(unsigned int cpu)
{
	struct hrtimer *hrtimer = &__raw_get_cpu_var(watchdog_hrtimer);
 
	/* kick off the timer for the hardlockup detector */
	hrtimer_init(hrtimer, CLOCK_MONOTONIC, HRTIMER_MODE_REL);
	hrtimer->function = watchdog_timer_fn;
 
	/* done here because hrtimer_start can only pin to smp_processor_id() */
	hrtimer_start(hrtimer, ns_to_ktime(sample_period),
		      HRTIMER_MODE_REL_PINNED);
}

时钟中断处理函数是watchdog_timer_fn

static enum hrtimer_restart watchdog_timer_fn(struct hrtimer *hrtimer)
{
	unsigned long touch_ts = __this_cpu_read(watchdog_touch_ts);
	int duration;
 
	/* kick the hardlockup detector */
	watchdog_interrupt_count();
 
	duration = is_softlockup(touch_ts);
	if (unlikely(duration)) {
		if (softlockup_panic)
			panic("softlockup: hung tasks");
		__this_cpu_write(soft_watchdog_warn, true);
	} else
		__this_cpu_write(soft_watchdog_warn, false);
 
	return HRTIMER_RESTART;
}

这个函数主要做2件事情：

1. 更新hrtimer_interrupts变量。

static void watchdog_interrupt_count(void)
{
	__this_cpu_inc(hrtimer_interrupts);
}

这里我们就要回顾之前创建的那个kernel线程了，多久调用一次就和hrtimer_interrupts的值密切相关。

static int watchdog_should_run(unsigned int cpu)
{
	return __this_cpu_read(hrtimer_interrupts) !=
		__this_cpu_read(soft_lockup_hrtimer_cnt);
}

那就是说，kernel线程和时钟中断函数的频率是相同的。默认情况是10*2/5=4秒一次。

int __read_mostly watchdog_thresh = 10;
 
static int get_softlockup_thresh(void)
{
	return watchdog_thresh * 2;
}
 
static void set_sample_period(void)
{
	/*
	 * convert watchdog_thresh from seconds to ns
	 * the divide by 5 is to give hrtimer several chances (two
	 * or three with the current relation between the soft
	 * and hard thresholds) to increment before the
	 * hardlockup detector generates a warning
	 */
	sample_period = get_softlockup_thresh() * ((u64)NSEC_PER_SEC / 5);
}

2. 就是要探测是否有soft lockup发生。

static int is_softlockup(unsigned long touch_ts)
{
	unsigned long now = get_timestamp();
 
	/* Warn about unreasonable delays: */
	if (time_after(now, touch_ts + get_softlockup_thresh()))
		return now - touch_ts;
 
	return 0;
}

很容易理解，其实就是查看watchdog_touch_ts变量在最近20秒的时间内，有没有被创建的kernel thread更新过。

假如没有，那就意味着线程得不到调度，所以很有可能就是在某个cpu core上抢占被关闭了，所以调度器没有办法进行调度。

这种情况下，系统往往不会死掉，但是会很慢。

有了soft lockup的机制，我们就能尽早的发现这样的问题了。

分析完soft lockup，我们继续分析hard lockup

static int watchdog_nmi_enable(unsigned int cpu)
{
	struct perf_event_attr *wd_attr;
 
	wd_attr = &wd_hw_attr;
	wd_attr->sample_period = hw_nmi_get_sample_period(watchdog_thresh);
 
	/* Try to register using hardware perf events */
	event = perf_event_create_kernel_counter(wd_attr, cpu, NULL, watchdog_overflow_callback, NULL);
}

perf_event_create_kernel_counter函数主要是注册了一个硬件的事件。

这个硬件在x86里叫performance monitoring，这个硬件有一个功能就是在cpu clock经过了多少个周期后发出一个NMI中断出来。

u64 hw_nmi_get_sample_period(int watchdog_thresh)
{
	return (u64)(cpu_khz) * 1000 * watchdog_thresh;
}

在这里，根据当前cpu的频率，算出一个值，也就是20秒cpu clock经过的周期数。

这样一来，当cpu全负荷跑完20秒后，就会有一个NMI中断发出，而这个中断的出路函数就是watchdog_overflow_callback。

static void watchdog_overflow_callback(struct perf_event *event,
		 struct perf_sample_data *data,
		 struct pt_regs *regs)
{
	if (is_hardlockup()) {
		int this_cpu = smp_processor_id();
 
		if (hardlockup_panic)
			panic("Watchdog detected hard LOCKUP on cpu %d", this_cpu);
		else
			WARN(1, "Watchdog detected hard LOCKUP on cpu %d", this_cpu);
 
		return;
	}
 
	return;
}

这个函数主要就是调用is_hardlockup

static int is_hardlockup(void)
{
	unsigned long hrint = __this_cpu_read(hrtimer_interrupts);
 
	if (__this_cpu_read(hrtimer_interrupts_saved) == hrint)
		return 1;
 
	__this_cpu_write(hrtimer_interrupts_saved, hrint);
	return 0;
}

而这个函数主要就是查看hrtimer_interrupts变量在时钟中断处理函数里有没有被更新。

假如没有更新，就意味着中断出了问题，可能被错误代码长时间的关中断了。

那这样，相应的问题也就暴露出来了。