我就获取个时间，机器就down了

2023-09-26 17:40:52

1. 背景

linux 时间管理，包含clocksource，clockevent，timer，tick，timekeeper等等概念，这些概念有机地组成了完整的时间代码体系。当然，是代码就会有bug，本文通过一个bug入手，在实战中加深对理论的认识。获取时间，但是crash了。

2. 故障现象

OPPO云内核团队接到连通性告警报障，发现机器复位：

PID: 0      TASK: ffff8d2b3775b0c0  CPU: 1   COMMAND: "swapper/1"
 #0 [ffff8d597f6489f0] machine_kexec at ffffffffa5a63b34
 #1 [ffff8d597f648a50] __crash_kexec at ffffffffa5b1e242
 #2 [ffff8d597f648b20] panic at ffffffffa615d85b
 #3 [ffff8d597f648ba0] nmi_panic at ffffffffa5a9859f
 #4 [ffff8d597f648bb0] watchdog_overflow_callback at ffffffffa5b4a881
 #5 [ffff8d597f648bc8] __perf_event_overflow at ffffffffa5ba26b7
 #6 [ffff8d597f648c00] perf_event_overflow at ffffffffa5babd24
 #7 [ffff8d597f648c10] intel_pmu_handle_irq at ffffffffa5a0a850
 #8 [ffff8d597f648e38] perf_event_nmi_handler at ffffffffa616d031
 #9 [ffff8d597f648e58] nmi_handle at ffffffffa616e91c
#10 [ffff8d597f648eb0] do_nmi at ffffffffa616ebf8
#11 [ffff8d597f648ef0] end_repeat_nmi at ffffffffa616dd89
    [exception RIP: __getnstimeofday64+144]
    RIP: ffffffffa5b03940  RSP: ffff8d597f643c78  RFLAGS: 00000212
    RAX: 15b5c8320b8602cd  RBX: ffff8d597f643cb0  RCX: 000000005f89ee29
    RDX: 00000000ee4479fe  RSI: 0000012b5478f3b2  RDI: 0009709c7629b240
    RBP: ffff8d597f643c90   R8: 00000000007001de   R9: ffff8d596d5c0000
    R10: 000000000000007a  R11: 000000000000000e  R12: ffffffffa662ea80
    R13: 000000003ccbcfb6  R14: ffff8d895de08000  R15: 0000000000000081
    ORIG_RAX: ffffffffffffffff  CS: 0010  SS: 0018
--- <NMI exception stack> ---
#12 [ffff8d597f643c78] __getnstimeofday64 at ffffffffa5b03940
#13 [ffff8d597f643c98] getnstimeofday64 at ffffffffa5b0398e
#14 [ffff8d597f643ca8] ktime_get_real at ffffffffa5b03a45
#15 [ffff8d597f643cd0] netif_receive_skb_internal at ffffffffa603b936
#16 [ffff8d597f643d00] napi_gro_receive at ffffffffa603c588
#17 [ffff8d597f643d28] mlx5e_handle_rx_cqe_mpwrq at ffffffffc052ef1d [mlx5_core]
#18 [ffff8d597f643db8] mlx5e_poll_rx_cq at ffffffffc052f4b8 [mlx5_core]
#19 [ffff8d597f643e08] mlx5e_napi_poll at ffffffffc05304c6 [mlx5_core]
#20 [ffff8d597f643e78] net_rx_action at ffffffffa603bf1f
#21 [ffff8d597f643ef8] __do_softirq at ffffffffa5aa2155
#22 [ffff8d597f643f68] call_softirq at ffffffffa617a32c
#23 [ffff8d597f643f80] do_softirq at ffffffffa5a2e675

从堆栈看，我们的0号进程在处理软中断收包的过程中，因为获取个时间，导致了crash。hardlock的分析之前已经给出了很多了，无非是关中断时间长了，具体关中断的地方，可以看call_softirq函数即可。

3. 故障现象分析

1）理论知识

在处理网络包的软中断过程中，会打时间戳，也就是说，对于oppo云的机器来说，以上的调用栈路径是一个热点且成熟的路径。成熟的路径出问题比较少见，所以有必要分享一下。在timekeeping初始化的时候，很难选择一个最好的clock source，因为很有可能最好的那个还没有初始化呢。因此，策略就是采用一个在timekeeping初始化时一定是ready的clock source，比如基于jiffies 的那个clocksource。
一般而言，timekeeping模块是在tick到来的时候更新各种系统时钟的时间值，ktime_get调用很有可能发生在两次tick之间，这时候，仅仅依靠当前系统时钟的值精度就不够了，毕竟那个时间值是per tick更新的。因此，为了获得高精度，ns值的获取是通过timekeeping_get_ns完成的，timekeeping_get_ns就是本文的主角，该函数获取了real time clock的当前时刻的纳秒值，而这是通过上一次的tick时候的real time clock的时间值（xtime_nsec）加上当前时刻到上一次tick之间的delta时间值计算得到的。系统运行之后，real time clock+ wall_to_monotonic是系统的uptime，而real time clock+ wall_to_monotonic + sleep time也就是系统的boot time。

2）实战分析

根据调用堆栈，简单地看，__getnstimeofday64只有一个循环，那就是读取timekeeper_seq
的顺序锁，代码分析如下：

int __getnstimeofday64(struct timespec64 *ts)
{
  struct timekeeper *tk = &timekeeper;
  unsigned long seq;
  s64 nsecs = 0;

  do {
    seq = read_seqcount_begin(&timekeeper_seq);

    ts->tv_sec = tk->xtime_sec;//caq:秒值赋值
    nsecs = timekeeping_get_ns(&tk->tkr_mono);

  } while (read_seqcount_retry(&timekeeper_seq, seq));

  ts->tv_nsec = 0;
  timespec64_add_ns(ts, nsecs);//caq:这里面还有个循环呢，

  /*
   * Do not bail out early, in case there were callers still using
   * the value, even in the face of the WARN_ON.
   */
  if (unlikely(timekeeping_suspended))
    return -EAGAIN;
  return 0;
}

但是从汇编展开来看：

0xffffffffa5b0393b <__getnstimeofday64+139>:    xor    %edx,%edx----清零 u32 ret = 0;
0xffffffffa5b0393d <__getnstimeofday64+141>:    nopl   (%rax)
0xffffffffa5b03940 <__getnstimeofday64+144>:    sub    $0x3b9aca00,%rax---------------------1s就是1000000000 ns，循坏在这，而栈中的rax为 15b5c8320b8602cd
0xffffffffa5b03946 <__getnstimeofday64+150>:    add    $0x1,%edx---------ret++;edx is the lower 32 bit of rdx，rdx为00000000ee4479fe，所以edx为 0xee4479fe,也就是3997465086
0xffffffffa5b03949 <__getnstimeofday64+153>:    cmp    $0x3b9ac9ff,%rax-------------------------------------剩余是否小于1ns
0xffffffffa5b0394f <__getnstimeofday64+159>:    ja     0xffffffffa5b03940 <__getnstimeofday64+144>
 /include/linux/time.h: 215---对应 timespec_add_ns
0xffffffffa5b03951 <__getnstimeofday64+161>:    add    %rcx,%rdx---delta算出的秒值+之前保存的秒值，就是最新的秒值
0xffffffffa5b03954 <__getnstimeofday64+164>:    mov    %rax,0x8(%rbx)----剩余的ns，赋值给a->tv_nsec = ns;
0xffffffffa5b03958 <__getnstimeofday64+168>:    mov    %rdx,(%rbx)---加完delta秒值的最新的秒值，赋值给a->tv_sec
0xffffffffa5b0395b <__getnstimeofday64+171>:    cmpl   $0x1,0xc55702(%rip)        # 0xffffffffa6759064----if(timekeeping_suspended)
 /kernel/time/timekeeping.c: 512
0xffffffffa5b03962 <__getnstimeofday64+178>:    pop    %rbx
0xffffffffa5b03963 <__getnstimeofday64+179>:    pop    %r12
0xffffffffa5b03965 <__getnstimeofday64+181>:    pop    %r13

从堆栈看出，我们循环在__getnstimeofday64+144

0xffffffffa5b03940 <__getnstimeofday64+144>:    sub    $0x3b9aca00,%rax---------------------1s就是1000000000 ns，循坏在这，而栈中的rax为 15b5c8320b8602cd

原来我们循环在timespec64_add_ns 函数里面：

static __always_inline void timespec64_add_ns(struct timespec64 *a, u64 ns)
{
  a->tv_sec += __iter_div_u64_rem(a->tv_nsec + ns, NSEC_PER_SEC, &ns);
  a->tv_nsec = ns;
}
__iter_div_u64_rem展开如下：

static __always_inline u32
__iter_div_u64_rem(u64 dividend, u32 divisor, u64 *remainder)
{
  u32 ret = 0;

  while (dividend >= divisor) {//这个循环
    /* The following asm() prevents the compiler from
       optimising this loop into a modulo operation.  */
    asm("" : "+rm"(dividend));

    dividend -= divisor;
    ret++;
  }

  *remainder = dividend;

  return ret;
}

我们的入参divisor是 NSEC_PER_SEC，也就是10的9次方，16进制为0x3b9aca00，既然在循环，那么我们的dividend是rax，请注意看值为：

 RAX: 15b5c8320b8602cd

crash> p 0x15b5c8320b8602cd/0x3b9aca00
$7 = 1564376562

按照这样计算，要计算完毕，还得循环 1564376562 这么多次。
这么大的一个值，确实不知道循环到猴年马月去。
那么这个值怎么来的呢？原来这个值是前后两次读取closk_source的cycle差值计算出来的。

static inline s64 timekeeping_get_ns(struct tk_read_base *tkr)
{
  u64 delta;

  delta = timekeeping_get_delta(tkr);//caq:上次读取与本次读取之间的差值
  return timekeeping_delta_to_ns(tkr, delta);//caq:差值转换为ns
}

 delta的来源是：
 static inline u64 timekeeping_get_delta(struct tk_read_base *tkr)
{
  u64 cycle_now, delta;
  struct clocksource *clock;

  /* read clocksource: */
  clock = tkr->clock;
  cycle_now = tkr->clock->read(clock);//当前值是通过读取来的

  /* calculate the delta since the last update_wall_time */
  delta = clocksource_delta(cycle_now, clock->cycle_last, clock->mask);//计算差值

  return delta;
}

原来，delta的获取是线读取当前clocksource的cycle值，然后通过clocksource_delta 计算对应的差值，根据以上代码，首先我们得知道当前的clocksource是哪个：

crash> timekeeper
timekeeper = $1 = {
  tkr_mono = {------------------------------timekeeping_get_ns(&tk->tkr_mono)
    clock = 0xffffffffa662ea80, ------------这个就是 clocksource，这个值当前就是 clocksource_tsc
    cycle_last = 16728674596502256, 
    mult = 7340510, 
    shift = 24, 
    xtime_nsec = 2657092090049088, 这个值并不是ns，而是要 >>tkr->shift
    base = {
      tv64 = 2788453640047242
    }
  }, 
  tkr_raw = {
    clock = 0xffffffffa662ea80, 
    cycle_last = 16728674596502256, 
    mult = 8007931, 
    shift = 24, 
    xtime_nsec = 0, 
    base = {
      tv64 = 2788490058099290
    }
  }, 
  xtime_sec = 1602874921, ------------------当前的秒数

timekeeper是选择当前精度最高的clocksource来工作的：

crash> dis -l 0xffffffffa662ea80
0xffffffffa662ea80 <clocksource_tsc>:   addb   $0xa5,-0x5d(%rcx)--------------就是 clocksource_tsc ，tsc就是一个clock_source


crash> clocksource_tsc
clocksource_tsc = $2 = {
  read = 0xffffffffa5a34180, -----------read_tsc
  cycle_last = 16728674596502256, ------上次更新墙上时间的时刻取的cycle值
  mask = 18446744073709551615, 
  mult = 8007931, 
  shift = 24, ----------------------注意位数
  max_idle_ns = 204347035648, 
  maxadj = 880872, 
  archdata = {
    vclock_mode = 1
  }, 
  name = 0xffffffffa647c1cd "tsc", ---名称
  list = {
    next = 0xffffffffa6633ff8, 
    prev = 0xffffffffa665c9b0
  }, 
  rating = 300, --------------优先级，
  enable = 0x0, 
  disable = 0x0, 
  flags = 35, ---没有CLOCK_SOURCE_UNSTABLE标志
  suspend = 0x0, 
  resume = 0x0, 
  owner = 0x0
}

差值的计算分析如下：

static inline s64 timekeeping_delta_to_ns(struct tk_read_base *tkr,
            u64 delta)
{
  s64 nsec;//注意，这里是带符号数

  nsec = delta * tkr->mult + tkr->xtime_nsec;
  nsec >>= tkr->shift;//换算成ns

  /* If arch requires, add in get_arch_timeoffset() */
  return nsec + arch_gettimeoffset();
}

timekeeping_delta_to_ns返回值过大，有两种可能：
一种是delta的偏大，delta * tkr->mult 对s64的值产生溢出，这个算是个bug。还有一种可能是，直接前后读取的delta值太大，这涉及到 update_wall_time 并没有及时调用去读取当前clocksource的cycle。

4. 故障复现

这个s64溢出的bug，在社区已经修复了。

-static inline s64 timekeeping_delta_to_ns(struct tk_read_base *tkr,
+static inline u64 timekeeping_delta_to_ns(struct tk_read_base *tkr,
                                          cycle_t delta)
 {
-       s64 nsec;
+       u64 nsec;

而且查看红帽的changelog，也按照上游这样修复，但是我觉得风险还在的，因为 update_wall_time 有时候更新就不是那么及时，而哪怕从s64改到u64，并没有解决溢出问题，因为 timekeeping_delta_to_ns函数中明显可以看到，u64的64位并没有全部用到cycle的差值上。我相信社区最终应该会有人爆这个问题的。

5. 故障规避或解决

可能的解决方案是：
增加告警，对于softlock的要及时介入，有可能导致update_wall_time 更新不及时。

作者简介

Anqing 高级后端工程师

目前主要负责linux内核及容器，虚拟机等虚拟化方面的工作。

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