soft lockup和hard lockup介绍

转自：http://www.cnblogs.com/openix/p/4034530.html

转自：http://blog.csdn.net/panzhenjie/article/details/10074551/

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：

1. static struct smp_hotplug_thread watchdog_threads = {
2. .store          = &softlockup_watchdog,
3. .thread_should_run  = watchdog_should_run,
4. .thread_fn      = watchdog,
5. .thread_comm        = "watchdog/%u",
6. .setup          = watchdog_enable,
7. .park           = watchdog_disable,
8. .unpark         = watchdog_enable,
9. };
10. void __init lockup_detector_init(void)
11. {
12. set_sample_period();
13. if (smpboot_register_percpu_thread(&watchdog_threads)) {
14. pr_err("Failed to create watchdog threads, disabled\n");
15. watchdog_disabled = -ENODEV;
16. }
17. }

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

1. static void __touch_watchdog(void)
2. {
3. __this_cpu_write(watchdog_touch_ts, get_timestamp());
4. }
5. static void watchdog(unsigned int cpu)
6. {
7. __this_cpu_write(soft_lockup_hrtimer_cnt,
8. __this_cpu_read(hrtimer_interrupts));
9. __touch_watchdog();
10. }

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：

1. static void watchdog_enable(unsigned int cpu)
2. {
3. struct hrtimer *hrtimer = &__raw_get_cpu_var(watchdog_hrtimer);
4. /* kick off the timer for the hardlockup detector */
5. hrtimer_init(hrtimer, CLOCK_MONOTONIC, HRTIMER_MODE_REL);
6. hrtimer->function = watchdog_timer_fn;
7. /* done here because hrtimer_start can only pin to smp_processor_id() */
8. hrtimer_start(hrtimer, ns_to_ktime(sample_period),
9. HRTIMER_MODE_REL_PINNED);
10. }

时钟中断处理函数是watchdog_timer_fn

1. static enum hrtimer_restart watchdog_timer_fn(struct hrtimer *hrtimer)
2. {
3. unsigned long touch_ts = __this_cpu_read(watchdog_touch_ts);
4. int duration;
5. /* kick the hardlockup detector */
6. watchdog_interrupt_count();
7. duration = is_softlockup(touch_ts);
8. if (unlikely(duration)) {
9. if (softlockup_panic)
10. panic("softlockup: hung tasks");
11. __this_cpu_write(soft_watchdog_warn, true);
12. } else
13. __this_cpu_write(soft_watchdog_warn, false);
14. return HRTIMER_RESTART;
15. }

这个函数主要做2件事情：

1. 更新hrtimer_interrupts变量。

1. static void watchdog_interrupt_count(void)
2. {
3. __this_cpu_inc(hrtimer_interrupts);
4. }

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。

1. static int watchdog_should_run(unsigned int cpu)
2. {
3. return __this_cpu_read(hrtimer_interrupts) !=
4. __this_cpu_read(soft_lockup_hrtimer_cnt);
5. }

只有在hrtimer_interrupts发生了更新的情况下，kernel线程才会被得到运行。

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。

1. int __read_mostly watchdog_thresh = 10;
2. static int get_softlockup_thresh(void)
3. {
4. return watchdog_thresh * 2;
5. }
6. static void set_sample_period(void)
7. {
8. /*
9. * convert watchdog_thresh from seconds to ns
10. * the divide by 5 is to give hrtimer several chances (two
11. * or three with the current relation between the soft
12. * and hard thresholds) to increment before the
13. * hardlockup detector generates a warning
14. */
15. sample_period = get_softlockup_thresh() * ((u64)NSEC_PER_SEC / 5);
16. }

2.就是要探测是否有soft lockup发生。

1. static int is_softlockup(unsigned long touch_ts)
2. {
3. unsigned long now = get_timestamp();
4. /* Warn about unreasonable delays: */
5. if (time_after(now, touch_ts + get_softlockup_thresh()))
6. return now - touch_ts;
7. return 0;
8. }

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

1. static int watchdog_nmi_enable(unsigned int cpu)
2. {
3. struct perf_event_attr *wd_attr;
4. wd_attr = &wd_hw_attr;
5. wd_attr->sample_period = hw_nmi_get_sample_period(watchdog_thresh);
6. /* Try to register using hardware perf events */
7. event = perf_event_create_kernel_counter(wd_attr, cpu, NULL, watchdog_overflow_callback, NULL);
8. }

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。

1. u64 hw_nmi_get_sample_period(int watchdog_thresh)
2. {
3. return (u64)(cpu_khz) * 1000 * watchdog_thresh;
4. }

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。

1. static void watchdog_overflow_callback(struct perf_event *event,
2. struct perf_sample_data *data,
3. struct pt_regs *regs)
4. {
5. if (is_hardlockup()) {
6. int this_cpu = smp_processor_id();
7. if (hardlockup_panic)
8. panic("Watchdog detected hard LOCKUP on cpu %d", this_cpu);
9. else
10. WARN(1, "Watchdog detected hard LOCKUP on cpu %d", this_cpu);
11. return;
12. }
13. return;
14. }

这个函数主要就是调用is_hardlockup

1. static int is_hardlockup(void)
2. {
3. unsigned long hrint = __this_cpu_read(hrtimer_interrupts);
4. if (__this_cpu_read(hrtimer_interrupts_saved) == hrint)
5. return 1;
6. __this_cpu_write(hrtimer_interrupts_saved, hrint);
7. return 0;
8. }

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。