Linux 4.1内核热补丁成功实践

作者 UCloud内核团队

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。

问题现象

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 | grep，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。

问题分析

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CONFIGVIRTCPUACCOUNTINGGEN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。

冷补丁和热补丁

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）

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。

热补丁修复

而本次热补丁修复存在两个难点：

难点一：热补丁制作

这次热补丁在结构体新增了spinlock成员变量，那就涉及新成员的内存分配和释放，在结构体实例被复制和释放时，都要额外的对新成员做处理，稍有遗漏可能会造成内存泄漏进而导致宕机，这就加大了风险。

再一个就是，结构体实例是在进程启动时初始化的，对于已经存在的实例如何塞进新的spinlock成员？所谓兵来将挡水来土掩，我们想到可以在原生补丁使用spinlock成员的代码路径上拦截，如果发现实例不含该成员，则进行分配、初始化、加锁、释放锁。

要解决问题，既要攀登困难的山峰，又得控制潜在的风险。团队编写了脚本进行几百万次的加载、卸载热补丁测试，并无内存泄漏，单机稳定运行，再下一城。

难点二：难以复现

另一个难题是该问题难以复现，只有在现网生产环境才有几个case可验证热补丁，而又不可以拿用户的环境去冒险。针对这种情况我们已经有标准化处理流程去应对，那就是设计完善的灰度策略，这也是UCloud内部一直在强调的核心理念和能力。经过分析，这个问题可以拆解为验证热补丁稳定性和验证热补丁正确性。于是我们采取了如下灰度策略：1.稳定性验证：先拿几台机器测试正常，再拿公司内部500台次级重要的机器打热补丁，灰度运行几天正常，从而验证了稳定性，风险尽在掌控之中。2．正确性验证：找到一台出现问题的机器，同时打印utime+stime以及rtime，根据代码的逻辑，当rtime小于utime+stime时会执行老逻辑，当rtime大于utime+stime时会执行新的热补丁逻辑。如下图所示，进入热补丁的新逻辑后，utime+stime打印正常且与rtime保持了同步更新，从而验证了热补丁的正确性。

全网变更：最后再分批在现网环境机器上打热补丁，执行全网变更，问题得到根本解决，此处要感谢运维同学的全力协助。

总结

综上，我们详细介绍了进程cputime统计异常问题的完整分析和解决思路。该问题并非严重的宕机问题，但却可能会让用户对监控数据产生困惑，误认为可能机器负载太高需要加资源，问题的解决会避免产生不必要的开支。此外，该问题也会让研发、运维和技术支持的同学们使用top和ps命令时产生困惑。最终我们对问题的本质仔细分析并求证，用热补丁的方式妥善的解决了问题。