hung task机制

最近在修改内核源码的时候一直出现格式化磁盘的时候，进程会出现状态D，看内核日志会看到如下信息：

INFO: task filebench: blocked for more than  seconds.
 Oct  :: localhost kernel: "echo 0 > /proc/sys/kernel/hung_task_timeout_secs" disables this message.

如是，查了一下为什么会出现这种情况，以及为什么进程的状态显示D之后是kill不了的。

一、相关知识
长期以来，处于D状态(TASK_UNINTERRUPTIBLE状态)的进程都是让人比较烦恼的问题，处于D状态的进程不能接收信号，kill不掉。在一些场景下，常见到进程长期处于D状态，用户对此无能为力，也不知道原因，只能重启恢复。
其实进程长期处于D状态肯定是不正常的，内核中设计D状态的目的是为了让进程等待IO完成，正常情况下IO应该会顺利完成，然后唤醒相应的D状态进程，即使在异常情况下(比如磁盘离或损坏、磁阵链路断开等)，IO处理也是有超时机制的，原理上不会存在永久处于D状态的进程。但是就是因为内核代码流程中可能存在一些bug，或者用户内核模块中的相关机制不合理，可能导致进程长期处于D状态，无法唤醒，类似于死锁状态。
针对这种情况，内核中提供了hung task机制用于检测系统中是否存在处于D状态超过120s(时长可以设置)的进程，如果存在，则打印相关警告和进程堆栈。如果配置了hung_task_panic（proc或内核启动参数），则直接发起panic，结合kdump可以搜集到vmcore。从内核的角度看，如果有进程处于D状态的时间超过了120s，那肯定已经出现异常了，以此机制来收集相关的异常信息，用于分析定位问题。

二、基本原理
hung task机制的实现很简单，其基本原理为：
创建一个内核线程(khungtaskd)，定期(120)唤醒后，遍历系统中的所有进程，检查是否存在处于D状态超过120s(时长可以设置)的进程，如果存在，则打印相关警告和进程堆栈。如果配置了hung_task_panic（proc或内核启动参数），则直接发起panic。

三、代码分析
1、初始化
hung_task_init()：

1. /*
2. * hung task机制，初始化一个内核线程来检测系统中是否存在D状态超过120s的
3. * 进程
4. */
5. static int __init hung_task_init(void)
6. {
7. /*注册panic通知链，在panic时执行相关操作。*/
8. atomic_notifier_chain_register(&panic_notifier_list, &panic_block);
9. /*创建内核线程khungtaskd，执行函数为watchdog*/
10. watchdog_task = kthread_run(watchdog, NULL, "khungtaskd");
11. return 0;
12. }

2、内核线程处理：watchdog
watchdog()：

1. /*
2. * kthread which checks for tasks stuck in D state
3. */
4. /*hung task机制中khungtaskd内核线程的处理函数*/
5. static int watchdog(void *dummy)
6. {
7. /*设置当前khungtaskd内核线程的nice为0，即普通优先级，为了不影响业务运行*/
8. set_user_nice(current, 0);
9. /*死循环进行检测*/
10. for ( ; ; ) {
11. /*进程处于D状态的时间上线可通过sysctl/proc控制，默认为120s*/
12. unsigned long timeout = sysctl_hung_task_timeout_secs;
13. /*检测线程(watchdog)sleep 120s(默认)后，再次唤醒。*/
14. while (schedule_timeout_interruptible(timeout_jiffies(timeout)))
15. timeout = sysctl_hung_task_timeout_secs;
16. /*醒来后执行实际的检测操作*/
17. check_hung_uninterruptible_tasks(timeout);
18. }
19. return 0;
20. }

watchdog()->check_hung_uninterruptible_tasks():

1. /*
2. * Check whether a TASK_UNINTERRUPTIBLE does not get woken up for
3. * a really long time (120 seconds). If that happens, print out
4. * a warning.
5. */
6. /*遍历系统中的所有进程，检测是否有处于D状态超过120的进程，如果有则打印告警或panic*/
7. static void check_hung_uninterruptible_tasks(unsigned long timeout)
8. {
9. /*hung task检测是检查的最大进程数，默认为最大的进程号*/
10. int max_count = sysctl_hung_task_check_count;
11. /*
12. * 每次遍历进程数的上限，默认为1024，这样做的目的是为了:
13. * 1、防止rcu_read_lock的占用时间太长。
14. * 2、hung task的watchdog占用CPU时间太长。如果没开内核抢占，则如果内核线程不主动调度的话，是不能发生进程切换的?
15. */
16. /*
17. *Fixme:如果系统中的进程数比较多，那么就可能检测不到部分D状态进程了?不会，因为这里只是会调度一次，调度回来
18. *后，会继续遍历后面的进程*/
19. int batch_count = HUNG_TASK_BATCHING;
20. struct task_struct *g, *t;
21. /*
22. * If the system crashed already then all bets are off,
23. * do not report extra hung tasks:
24. */
25. /*如果系统已经处于crash状态了，就不在报hung task了。*/
26. if (test_taint(TAINT_DIE) || did_panic)
27. return;
28. rcu_read_lock();
29. /*遍历系统中的所有进程*/
30. do_each_thread(g, t) {
31. if (!max_count--)
32. goto unlock;
33. /*如果每次检测的进程数量超过1024了，则需要发起调度，结束rcu优雅周期*/
34. if (!--batch_count) {
35. batch_count = HUNG_TASK_BATCHING;
36. /*释放rcu，并主动调度，调度回来后检查相应进程是否还在，如果不在了，则退出遍历，否则继续*/
37. if (!rcu_lock_break(g, t))
38. goto unlock;
39. }
40. /* use "==" to skip the TASK_KILLABLE tasks waiting on NFS */
41. /*检测进程状态是否为D*/
42. if (t->state == TASK_UNINTERRUPTIBLE)
43. /*检测进程处于D状态的时间是否超过120s。*/
44. check_hung_task(t, timeout);
45. } while_each_thread(g, t);
46. unlock:
47. rcu_read_unlock();
48. }

watchdog()->check_hung_uninterruptible_tasks()->check_hung_task():

1. static void check_hung_task(struct task_struct *t, unsigned long timeout)
2. {
3. /*进程上下文切换计数，以此来判断该进程是否发生过调度*/
4. unsigned long switch_count = t->nvcsw + t->nivcsw;
5. /*
6. * Ensure the task is not frozen.
7. * Also, skip vfork and any other user process that freezer should skip.
8. */
9. if (unlikely(t->flags & (PF_FROZEN | PF_FREEZER_SKIP)))
10. return;
11. /*
12. * When a freshly created task is scheduled once, changes its state to
13. * TASK_UNINTERRUPTIBLE without having ever been switched out once, it
14. * musn't be checked.
15. */
16. if (unlikely(!switch_count))
17. return;
18. /*
19. * 如果当前switch_count不等于last_switch_count，则说明在khungtaskd进程被唤醒期间，该进程没有发生过调度。
20. * 也就是说，该进程一直处于D状态，因为last_switch_count只在这里更新，其它地方不会。
21. * hung task机制中的120s其实是通过khungtaskd内核线程的唤醒周期来控制的，不是通过per task其它计数。
22. */
23. if (switch_count != t->last_switch_count) {
24. /*更新last_switch_count计数，只在这里更新，该计数专用于hung task的检测。*/
25. t->last_switch_count = switch_count;
26. return;
27. }
28. /*
29. * hung task错误打印次数限制，防止dos攻击。默认为10次，由于是全局变量，
30. * 表示系统运行期间最多打印10次，超过后就不打印了。该参数应该可以
31. * 通过sysctl修改
32. */
33. if (!sysctl_hung_task_warnings)
34. return;
35. sysctl_hung_task_warnings--;
36. /*
37. * Ok, the task did not get scheduled for more than 2 minutes,
38. * complain:
39. */
40. /*如下就是我们平常常见的hung task打印了*/
41. printk(KERN_ERR "INFO: task %s:%d blocked for more than "
42. "%ld seconds.\n", t->comm, t->pid, timeout);
43. printk(KERN_ERR "\"echo 0 > /proc/sys/kernel/hung_task_timeout_secs\""
44. " disables this message.\n");
45. /*打印堆栈*/
46. sched_show_task(t);
47. /*如果开启了debug_lock，则打印锁的占用情况*/
48. debug_show_held_locks(t);
49. /*touch nmi_watchdog相关的计数器，防止在此过程中触发nmi_watchdog*/
50. touch_nmi_watchdog();
51. /*检测是否配置了/proc/sys/kernel/hung_task_panic，如果配置则直接触发panic*/
52. if (sysctl_hung_task_panic) {
53. /*打印所有CPU的堆栈*/
54. trigger_all_cpu_backtrace();
55. /*触发panic，如果配置了kdump就有用了*/
56. panic("hung_task: blocked tasks");
57. }
58. }