kernel 3.10内核源码分析--hung task机制

一、相关知识
长期以来，处于D状态(TASK_UNINTERRUPTIBLE状态)的进程都是让人比较烦恼的问题，处于D状态的进程不能接收信号，kill不掉。在一些场景下，常见到进程长期处于D状态，用户对此无能为力，也不知道原因，只能重启恢复。
其实进程长期处于D状态肯定是不正常的，内核中设计D状态的目的是为了让进程等待IO完成，正常情况下IO应该会顺利完成，然后唤醒相应的D状态进程，即使在异常情况下(比如磁盘离或损坏、磁阵链路断开等)，IO处理也是有超时机制的，原理上不会存在永久处于D状态的进程。但是就是因为内核代码流程中可能存在一些bug，或者用户内核模块中的相关机制不合理，可能导致进程长期处于D状态，无法唤醒，类似于死锁状态。
针对这种情况，内核中提供了hung task机制用于检测系统中是否存在处于D状态超过120s(时长可以设置)的进程，如果存在，则打印相关警告和进程堆栈。如果配置了hung_task_panic（proc或内核启动参数），则直接发起panic，结合kdump可以搜集到vmcore。从内核的角度看，如果有进程处于D状态的时间超过了120s，那肯定已经出现异常了，以此机制来收集相关的异常信息，用于分析定位问题。

二、基本原理
hung task机制的实现很简单，其基本原理为：
创建一个内核线程(khungtaskd)，定期(120)唤醒后，遍历系统中的所有进程，检查是否存在处于D状态超过120s(时长可以设置)的进程，如果存在，则打印相关警告和进程堆栈。如果配置了hung_task_panic（proc或内核启动参数），则直接发起panic。

三、代码分析
1、初始化
hung_task_init()：

/*
  * hung task机制，初始化一个内核线程来检测系统中是否存在D状态超过120s的
  * 进程
  */
static int __init hung_task_init(void)
{
    /*注册panic通知链，在panic时执行相关操作。*/
    atomic_notifier_chain_register(&panic_notifier_list, &panic_block);
    /*创建内核线程khungtaskd，执行函数为watchdog*/
    watchdog_task = kthread_run(watchdog, NULL, "khungtaskd");

    return 0;
}

2、内核线程处理：watchdog
watchdog()：

/*
 * kthread which checks for tasks stuck in D state
 */
/*hung task机制中khungtaskd内核线程的处理函数*/
static int watchdog(void *dummy)
{
    /*设置当前khungtaskd内核线程的nice为0，即普通优先级，为了不影响业务运行*/
    set_user_nice(current, 0);
    /*死循环进行检测*/
    for ( ; ; ) {
        /*进程处于D状态的时间上线可通过sysctl/proc控制，默认为120s*/
        unsigned long timeout = sysctl_hung_task_timeout_secs;
        /*检测线程(watchdog)sleep 120s(默认)后，再次唤醒。*/
        while (schedule_timeout_interruptible(timeout_jiffies(timeout)))
            timeout = sysctl_hung_task_timeout_secs;
        /*醒来后执行实际的检测操作*/
        check_hung_uninterruptible_tasks(timeout);
    }

    return 0;
}

watchdog()->check_hung_uninterruptible_tasks():

/*
 * Check whether a TASK_UNINTERRUPTIBLE does not get woken up for
 * a really long time (120 seconds). If that happens, print out
 * a warning.
 */
/*遍历系统中的所有进程，检测是否有处于D状态超过120的进程，如果有则打印告警或panic*/
static void check_hung_uninterruptible_tasks(unsigned long timeout)
{
    /*hung task检测是检查的最大进程数，默认为最大的进程号*/
    int max_count = sysctl_hung_task_check_count;
    /*
     * 每次遍历进程数的上限，默认为1024，这样做的目的是为了:
     * 1、防止rcu_read_lock的占用时间太长。
     * 2、hung task的watchdog占用CPU时间太长。如果没开内核抢占，则如果内核线程不主动调度的话，是不能发生进程切换的?
     */
    /*
     *Fixme:如果系统中的进程数比较多，那么就可能检测不到部分D状态进程了?不会，因为这里只是会调度一次，调度回来
     *后，会继续遍历后面的进程*/
    int batch_count = HUNG_TASK_BATCHING;
    struct task_struct *g, *t;

    /*
     * If the system crashed already then all bets are off,
     * do not report extra hung tasks:
     */
    /*如果系统已经处于crash状态了，就不在报hung task了。*/
    if (test_taint(TAINT_DIE) || did_panic)
        return;

    rcu_read_lock();
    /*遍历系统中的所有进程*/
    do_each_thread(g, t) {
        if (!max_count--)
            goto unlock;
        /*如果每次检测的进程数量超过1024了，则需要发起调度，结束rcu优雅周期*/
        if (!--batch_count) {
            batch_count = HUNG_TASK_BATCHING;
            /*释放rcu，并主动调度，调度回来后检查相应进程是否还在，如果不在了，则退出遍历，否则继续*/
            if (!rcu_lock_break(g, t))
                goto unlock;
        }
        /* use "==" to skip the TASK_KILLABLE tasks waiting on NFS */
        /*检测进程状态是否为D*/
        if (t->state == TASK_UNINTERRUPTIBLE)
            /*检测进程处于D状态的时间是否超过120s。*/
            check_hung_task(t, timeout);
    } while_each_thread(g, t);
 unlock:
    rcu_read_unlock();
}

watchdog()->check_hung_uninterruptible_tasks()->check_hung_task():

static void check_hung_task(struct task_struct *t, unsigned long timeout)
{
    /*进程上下文切换计数，以此来判断该进程是否发生过调度*/
    unsigned long switch_count = t->nvcsw + t->nivcsw;

    /*
     * Ensure the task is not frozen.
     * Also, skip vfork and any other user process that freezer should skip.
     */
    if (unlikely(t->flags & (PF_FROZEN | PF_FREEZER_SKIP)))
        return;

    /*
     * When a freshly created task is scheduled once, changes its state to
     * TASK_UNINTERRUPTIBLE without having ever been switched out once, it
     * musn't be checked.
     */
    if (unlikely(!switch_count))
        return;
    /*
     * 如果当前switch_count不等于last_switch_count，则说明在khungtaskd进程被唤醒期间，该进程没有发生过调度。
     * 也就是说，该进程一直处于D状态，因为last_switch_count只在这里更新，其它地方不会。
     * hung task机制中的120s其实是通过khungtaskd内核线程的唤醒周期来控制的，不是通过per task其它计数。
     */
    if (switch_count != t->last_switch_count) {
        /*更新last_switch_count计数，只在这里更新，该计数专用于hung task的检测。*/
        t->last_switch_count = switch_count;
        return;
    }
    /*
     * hung task错误打印次数限制，防止dos攻击。默认为10次，由于是全局变量，
     * 表示系统运行期间最多打印10次，超过后就不打印了。该参数应该可以
     * 通过sysctl修改
     */
    if (!sysctl_hung_task_warnings)
        return;
    sysctl_hung_task_warnings--;

    /*
     * Ok, the task did not get scheduled for more than 2 minutes,
     * complain:
     */
    /*如下就是我们平常常见的hung task打印了*/
    printk(KERN_ERR "INFO: task %s:%d blocked for more than "
            "%ld seconds.\n", t->comm, t->pid, timeout);
    printk(KERN_ERR "\"echo 0 > /proc/sys/kernel/hung_task_timeout_secs\""
            " disables this message.\n");
    /*打印堆栈*/
    sched_show_task(t);
    /*如果开启了debug_lock，则打印锁的占用情况*/
    debug_show_held_locks(t);
    /*touch nmi_watchdog相关的计数器，防止在此过程中触发nmi_watchdog*/
    touch_nmi_watchdog();
    /*检测是否配置了/proc/sys/kernel/hung_task_panic，如果配置则直接触发panic*/
    if (sysctl_hung_task_panic) {
        /*打印所有CPU的堆栈*/
        trigger_all_cpu_backtrace();
        /*触发panic，如果配置了kdump就有用了*/
        panic("hung_task: blocked tasks");
    }
}