高負(fù)載處理及上下文切換

概述

本程序在謝寶友老師[1]所提供的高負(fù)載處理模塊的代碼[2]基礎(chǔ)上，根據(jù)5.15版內(nèi)核的變化，修改出的。本程序是一個內(nèi)核模塊，用于監(jiān)控系統(tǒng)負(fù)載，在平均負(fù)載超過4時，打印所有進(jìn)程的調(diào)用棧。

本程序分為三個文件：main.c、load.h、Makefile。其中，main.c是本內(nèi)核模塊的主程序；load.h中是該內(nèi)核模塊的擴(kuò)展代碼，這里放了一個獲取內(nèi)核中未被導(dǎo)出符號（變量或函數(shù)）的一個函數(shù)；Makefile用來編譯該內(nèi)核模塊。完整代碼在文章的最下面。

模塊的主要實(shí)現(xiàn)方式為：設(shè)置一個定時器，以固定的間隔訪問系統(tǒng)給出的1分鐘內(nèi)平均負(fù)載，如果超過負(fù)載閾值，則輸出運(yùn)行隊(duì)列全部進(jìn)程棧信息，并使程序休眠一段較長的時間。流程圖如下：

定時器

本模塊采用了hrtimer——高精度定時器，由linux/hrtimer.h引入，可精確到ns級。

平均負(fù)載

這里有所改動，原文中是通過kallsyms_lookup_name函數(shù)獲取的，但我在瀏覽頭文件時發(fā)現(xiàn)了linux/sched/loadavg.h頭文件，里面已經(jīng)定義好了一些有關(guān)平均負(fù)載——loadavg的宏，并導(dǎo)出了avenrun——平均負(fù)載數(shù)組——1、5、15分鐘內(nèi)的平均負(fù)載，所以我這里直接引用了該頭文件、直接使用了相關(guān)符號

輸出進(jìn)程棧

這里改動很大，在5.15版中，沒有了save_stack_trace_tsk，通過查看linux/stacktrace.h文件，發(fā)現(xiàn)這個函數(shù)被用于未配置CONFIG_ARCH_STACKWALK的系統(tǒng)，而配置了CONFIG_ARCH_STACKWALK的系統(tǒng)中，有新的函數(shù)：unsigned int stack_trace_save_tsk(struct task_struct *task, unsigned long *store, unsigned int size, unsigned int skipnr)，定義于kernel/stacktrace.c中，與舊函數(shù)相比變化很大，好在在源代碼中有詳細(xì)的接口說明，根據(jù)這我成功的修改了棧的輸出部分。

與此同時我發(fā)現(xiàn)了功能類似的另一個函數(shù)show_stack，定義于arch/x86/kernel/dumpstack.c

然而，這兩個函數(shù)的符號都沒有導(dǎo)出，也就無法通過引入相關(guān)頭文件來使用，原文章來獲取內(nèi)核中未導(dǎo)出符號的kallsyms_lookup_name函數(shù)也未被導(dǎo)出，這就要求我尋找一種新的方法來獲取未導(dǎo)出符號，我找到了kprobe技術(shù)。

kprobes技術(shù)[3]是內(nèi)核開發(fā)者們專門為了便于跟蹤內(nèi)核函數(shù)執(zhí)行狀態(tài)所設(shè)計(jì)的一種輕量級內(nèi)核調(diào)試技術(shù)。利用kprobes技術(shù)，內(nèi)核開發(fā)人員可以在內(nèi)核的絕大多數(shù)指定函數(shù)中動態(tài)的插入探測點(diǎn)來收集所需的調(diào)試狀態(tài)信息而基本不影響內(nèi)核原有的執(zhí)行流程。我們可以通過注冊一個指定了函數(shù)名的kprobe來獲取函數(shù)的地址。

main.c

#include  /* for stack_trace_print */
#include  /* for module_*, MODULE_*, printk */
#include  /* for hrtimer_*, ktime_* */
#include  /* for avenrun, LOAD_* */
#include  /* for struct task_struct */
#include  /* for do_each_thread, while_each_thread */
#include "load.h" /* for find_kallsyms_lookup_name */
#define BACKTRACE_DEPTH 20 /* 最大棧深度 */
void (*ShowStack)(struct task_struct *task, unsigned long *sp, const char *loglvl); /* 將要指向stack_show函數(shù)，可以直接輸出進(jìn)程控制塊的調(diào)用棧 */
unsigned int (*StackTraceSaveTask)(struct task_struct *tsk, unsigned long *store, unsigned int size, unsigned int skipnr); /* 將要指向stack_trace_save_tsk */
static void print_all_task_stack(void) { /* 打印全部進(jìn)程調(diào)用棧 */
    struct task_struct *g, *p; /* 用于遍歷進(jìn)程 */
    unsigned long backtrace[BACKTRACE_DEPTH]; /* 用于存儲調(diào)用棧的函數(shù)地址 */
    unsigned int nr_bt; /* 用于存儲調(diào)用棧的層數(shù) */
    printk("!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!
");
    printk("Load: %lu.%02lu, %lu.%02lu, %lu.%02lu
", /* 輸出近期平均負(fù)載 */
        LOAD_INT(avenrun[0]), LOAD_FRAC(avenrun[0]),
        LOAD_INT(avenrun[1]), LOAD_FRAC(avenrun[1]),
        LOAD_INT(avenrun[2]), LOAD_FRAC(avenrun[2]));
    rcu_read_lock(); /* 為運(yùn)行隊(duì)列上鎖 */
    printk("dump running task.
");
    do_each_thread(g, p) { /* 遍歷運(yùn)行隊(duì)列 */
        if(p->__state == TASK_RUNNING) {
            printk("running task, comm: %s, pid %d
", p->comm, p->pid);
            // show_stack(p, NULL, ""); /* 可以取代下面兩個語句 */
            nr_bt = StackTraceSaveTask(p, backtrace, BACKTRACE_DEPTH, 0); /* 保存棧 */ // 和下面一個語句一起可以取代上面一條語句
            stack_trace_print(backtrace, nr_bt, 0); /* 打印棧 */
        }
    } while_each_thread(g, p);
    printk("dump uninterrupted task.
");
    do_each_thread(g, p) { /* 和上面的遍歷類似 */
        if(p->__state & TASK_UNINTERRUPTIBLE) {
            printk("uninterrupted task, comm: %s, pid %d
", p->comm, p->pid);
            // show_stack(p, NULL, ""); /* 可以取代下面兩個語句 */
            nr_bt = StackTraceSaveTask(p, backtrace, BACKTRACE_DEPTH, 0); /* 保存棧 */ // 和下面一個語句一起可以取代上面一條語句
            stack_trace_print(backtrace, nr_bt, 0); /* 打印棧 */
        }
    } while_each_thread(g, p);
    rcu_read_unlock(); /* 為運(yùn)行隊(duì)列解鎖 */
}
struct hrtimer timer; /* 創(chuàng)建一個計(jì)時器 */
static void check_load(void) { /* 主要的計(jì)時器觸發(fā)后的程序 */
    static ktime_t last; /* 默認(rèn)值是0 */
    u64 ms;
    int load = LOAD_INT(avenrun[0]);
    if(load < 4) /* 近1分鐘內(nèi)平均負(fù)載不超過4，沒問題 */
        return;
    ms = ktime_to_ms(ktime_sub(ktime_get(), last)); /* 計(jì)算打印棧時間間隔 */
    if(ms < 20*1000) /* 打印棧的時間間隔小于20s,不打印 */
        return;
    last = ktime_get(); /* 獲取當(dāng)前時間 */
    print_all_task_stack(); /* 打印全部進(jìn)程調(diào)用棧 */
}
static enum hrtimer_restart monitor_handler(struct hrtimer *hrtimer) { /* 計(jì)時器到期后調(diào)用的程序 */
    enum hrtimer_restart ret = HRTIMER_RESTART;
    check_load();
    hrtimer_forward_now(hrtimer, ms_to_ktime(10)); /* 延期10ms后到期 */
    return ret;
}
static void start_timer(void) {
    hrtimer_init(&timer, CLOCK_MONOTONIC, HRTIMER_MODE_PINNED); /* 初始化計(jì)時器為綁定cpu的自開機(jī)以來的恒定時鐘 */
    timer.function = monitor_handler; /* 設(shè)定回調(diào)函數(shù) */
    hrtimer_start_range_ns(&timer, ms_to_ktime(10), 0, HRTIMER_MODE_REL_PINNED); /* 啟動計(jì)時器并設(shè)定計(jì)時模式為綁定cpu的相對時間，計(jì)時10ms，松弛范圍為0 */
}
static int load_monitor_init(void) { /* 模塊初始化 */
    // ShowStack = find_kallsyms_lookup_name("show_stack"); /* 使用show_stack時將此三行取消注釋 */
    // if(!ShowStack)
    //     return -EINVAL;
    StackTraceSaveTask = find_kallsyms_lookup_name("stack_trace_save_tsk"); /* 使用stack_trace_save_tsk時將此三行取消注釋 */
    if(!StackTraceSaveTask)
        return -EINVAL;
    start_timer();
    printk("load-monitor loaded.
");
    return 0;
}
static void load_monitor_exit(void) { /* 模塊退出 */
    hrtimer_cancel(&timer); /* 取消計(jì)時器 */
    printk("load-monitor unloaded.
");
}
module_init(load_monitor_init);
module_exit(load_monitor_exit);
MODULE_DESCRIPTION("load monitor module");
MODULE_AUTHOR("Baoyou Xie ");
MODULE_LICENSE("GPL");

load.h

#include  /* for *kprobe* */
/* 調(diào)用kprobe找到kallsyms_lookup_name的地址位置 */
int noop_pre(struct kprobe *p, struct pt_regs *regs) { return 0; } /* 定義探針前置程序 */
void *find_kallsyms_lookup_name(char *sym) { /* 通過kprobe找到函數(shù)入口地址 */
    int ret;
    void *p; /* 用于保存要返回的函數(shù)入口地址 */
    struct kprobe kp = { /* 初始化探針 */
        .symbol_name = sym, /* 設(shè)置要跟蹤的內(nèi)核函數(shù)名 */
        .pre_handler = noop_pre /* 放置前置程序 */
    };
    if ((ret = register_kprobe(&kp)) < 0) { /* 探針注冊失敗就報告錯誤信息并返回空指針 */
        printk(KERN_INFO "register_kprobe failed, error
", ret);
        return NULL;
    }
    /* 保存探針跟蹤地址,即函數(shù)入口;輸出注冊成功信息,注銷探針,返回地址 */
    p = kp.addr;
    printk(KERN_INFO "%s addr: %lx
", sym, (unsigned long)p);
    unregister_kprobe(&kp);
    return p;
}

Makefile

OS_VER := UNKOWN
UNAME := $(shell uname -r)
ifneq ($(findstring 4.15.0-39-generic,$(UNAME)),)
    OS_VER := UBUNTU_1604
endif


ifneq ($(KERNELRELEASE),)
    obj-m += $(MODNAME).o
    $(MODNAME)-y := main.o
    ccflags-y := -I$(PWD)/
else
    export PWD=`pwd`
endif


ifeq ($(KERNEL_BUILD_PATH),)
    KERNEL_BUILD_PATH := /lib/modules/`uname -r`/build
endif


ifeq ($(MODNAME),)
    export MODNAME=load_monitor
endif


all:
    make CFLAGS_MODULE=-D$(OS_VER) -C /lib/modules/`uname -r`/build M=`pwd` modules
clean:
    make -C $(KERNEL_BUILD_PATH) M=$(PWD) clean

運(yùn)行結(jié)果

將三個文件放入一個單獨(dú)的文件夾中，運(yùn)行make命令，編譯出可插入內(nèi)核的程序。編譯好后，運(yùn)行sudo insmod load_monitor.ko命令將其插入內(nèi)核。

接下來是測試，運(yùn)行stress -c 8命令（stress需要另外安裝），使平均負(fù)載快速到達(dá)4以上，這里可以在新的虛擬終端通過top命令實(shí)時觀測負(fù)載。當(dāng)負(fù)載到達(dá)4之后，在運(yùn)行著stress命令的窗口中按下ctrl+c終止程序，運(yùn)行sudo dmesg命令就可以查看到內(nèi)核棧的輸出信息。