Linux 4.1内核热补丁成功实践

最开始公司运维同学反馈，个别宿主机上存在进程CPU峰值使用率异常的现象。而数万台机器中只出现了几例，也就是说万分之几的概率。监控产生的些小误差，不会造成宕机等严重后果，很容易就此被忽略了。

但我们考虑到这个异常转瞬即逝、并不易被察觉，可能还存在更多这样的机器，又或者现在正常将来又不正常，内核研发本能的好奇心让我们感到：此事必有蹊跷！于是追查下去。

现象一：CPU监控非0即100%

该问题现象表现在Redis进程CPU监控的峰值时而100% 时而为0，有的甚至是几十分钟都为0，突发1秒100%后又变为0，如下图。

而从大量机器的统计规律看，这个现象在2.6.32 内核不存在，在4.1内核存在几例。2.6.32是我们较早期采用的版本，为平台的稳定发展做了有力支撑，4.1 可以满足很多新技术需求，如新款CPU、新板卡、RDMA、NVMe和binlog2.0等。后台无缝维护着两个版本，并为了能力提升和优化而逐步向4.1及更高版本过渡。

现象二：top显示非0即300%

登录到机器上执行top -b -d 1 –p <pid> | grep<pid> , 可以看到进程的CPU利用率每隔几分钟到几十分钟出现一次300%，这意味着该进程3个线程占用的3个CPU都跑满了，跟监控程序呈现同样的异常。

上述异常程序使用的是同样的数据源：/proc/pid/stat中进程运行占用的用户态时间utime和内核态时间stime。我们抓取utime和stime更新情况后，发现utime或者stime每隔几分钟或者几十分钟才更新，更新的步进值达到几百到1000+，而正常进程看到的是每几秒更新，步进值是几十。

定位到异常点后，还要找出原因。排除了监控逻辑、IO负载、调用瓶颈等可能后，确认是4.1内核的CPU时间统计有 bug。

cputime统计逻辑

检查/proc/pid/stat中utime和stime被更新的代码执行路径，在cputime_adjust()发现了一处可疑的地方：

当utime+stime>=rtime的时候就直接跳出了，也就是不更新utime和stime了！这里的rtime是runtime，代表进程运行占用的所有CPU时长，正常应该等于或近似进程用户态时间+内核态时间。 但内核配置了CONFIG_VIRT_CPU_ACCOUNTING_GEN选项，这会让utime和stime分别单调增长。而runtime是调度器里统计到的进程真正运行总时长。

内核每次更新/proc/pid/stat的utime和stime的时候，都会跟rtime对比。如果utime+stime很长一段时间都大于rtime，那代码直接goto out了， /proc/pid/stat就不更新了。只有当rtime持续更新追上utime+stime后，才更新utime和stime。

第一回合：冷补丁

出现问题的代码位置已经找到，那就先去内核社区看看有没有成熟补丁可用，看一下kernel/sched/cputime.c的 changelog，看到一个patch：确保stime+utime=rtime。再看描述：像top这样的工具，会出现超过100%的利用率，之后又一段时间为0，这不就是我们遇到的问题吗？真是踏破铁鞋无觅处，得来全不费工夫！（patch链接：https://lore.kernel.org/patchwork/patch/609410/）

该补丁在4.3内核及以后版本才提交， 却并未提交到4.1稳定版分支，于是移植到4.1内核。打上该补丁后进行压测，再没出现cputime时而100%时而0%的现象，而是0-100%之间平滑波动的值。

至此，你可能觉得问题已经解决了。但是，问题才解决了一半。而往往“但是”后边才是重点。

第二回合：热补丁

给内核代码打上该冷补丁只能解决新增服务器的问题，但公司还有数万存量服务器是无法升级内核后重启的。

如果没有其它好选择，那存量更新将被迫采用如下的妥协方案：监控程序修改统计方式进行规避，不再使用utime和stime，而是通过runtime来统计进程的执行时间。

虽然该方案快速可行，但也有很大的缺点：

1.  很多业务部门都要修改统计程序，研发成本较高；

2.  /proc/pid/stat的utime和stime是标准统计方式，一些第三方组件并不容易修改；

3. 并没有根本解决utime和stime不准的问题，用户、研发、运维使用ps、top命令时还会产生困惑，产生额外的沟通协调成本。

幸好，我们还可以依靠UCloud已多次成功应用的技术：热补丁技术。

所谓热补丁技术，是指在有缺陷的服务器内核或进程正在运行时，对已经加载到内存的程序二进制打上补丁，使得程序实时在线状态下执行新的正确逻辑。可以简单理解为像关二爷那样不打麻药在清醒状态下刮骨疗伤。当然，对内核刮骨疗伤内核是不会痛的，但刮不好内核就会直接死给你看，没有丝毫犹豫，非常干脆利索又耿直。

（编辑：常州站长网）

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