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[linux][perf]list过长导致CPU消耗过高的问题分析

皮振伟

发布于 2019-12-15 11:18:07

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代码可运行

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前言

某机器上网络出现时断时续的问题，网络的同事发现ovs进程的CPU消耗很高，硬件offload的规则下发卡住的问题。即通过netlink向内核发送消息卡住。

分析

perf分析热点函数

可见，CPU的主要消耗是在__tcf_chain_get函数和__mutex_lock上。

为什么锁消耗那么高

rtnetlink_rcv_msg函数（去掉参数检查等等，保留关键逻辑），通过这段逻辑我们可以知道，在执行每个netlink命令的时候，都会先执行锁操作，在执行具体的回调函数（即link->doit），再解锁的过程。

如果其中某一个回调函数执行时间过长，就会长时间占用锁，造成其他的link->doit回调函数block住更长的时间，那么锁的消耗也会更高。

再结合其他的代码逻辑可以发现，__tcf_chain_get函数就刚好在某一个回调函数的路径上。

Annotate __tcf_chain_get

分析上面的热点函数__tcf_chain_get

__tcf_chain_get比较长，理论上来说，一个cmp指令只要一个cycle即可，那么在这里为什么一个cmp指令使用了99.13%的CPU时间呢？可以从汇编中看到，需要取rax偏移0x18的地址上数值和esi进行比较。这里存在一次读取内存的操作，如果是链表的话，前后两个链表元素未必在内存上相邻，容易造成CPU的cache miss。

计算热点代码的路径

ffffffff8161ab40+1d= ffffffff8161ab5d

所以执行addr2line -e /usr/lib/debug/vmlinux-4.19 -a 0xffffffff8161ab5d

0xffffffff8161ab5d

可以得到/linux/net/sched/cls_api.c:268

可以看到268行是对chain->index和chain_index进行对比。

继续看tcf_chain结构体

index结构在tcf_chain结构体中偏移0x20，为什么反汇编的代码在0x18上？

结合上下文我们可以看到，使用list来遍历：

chain的地址是在list的地址-0x8，index的地址是在chain+0x20,那么index的地址相对于list的地址就是+0x18，计算chain的过程都被编译器优化掉了，只需要使用list的地址+0x18即可完成代码逻辑中的遍历过程。

综上，可以证实，__tcf_chain_get消耗过高的原因是：遍历list的过程中遇到了比较多的cache miss;遍历了太多的链表元素的导致的。

计算链表的长度

基于kprobe实现kmod，来dump出来链表的长度。

#include <linux/kernel.h>
#include <linux/module.h>
#include <linux/kprobes.h>
#include <linux/uaccess.h>
#include <net/sch_generic.h>


static long filter_count(struct tcf_chain *chain)
{
  struct tcf_proto *tp;
  long count = 0;

  for (tp = rtnl_dereference(chain->filter_chain);
      tp; tp = rtnl_dereference(tp->next)) {
    count++;
  }
  return count;
}


static int kp_do_tcf_handler(struct kprobe *p, struct pt_regs *regs)
{
  struct tcf_block *block = (void __user *)regs->di;
  struct tcf_chain *chain;
  long count = 0;

  list_for_each_entry(chain, &block->chain_list, list) {
    count++;
  }

  printk("[always]count = %ld\n", count);

  return 0;
}

static struct kprobe kp = {
  .symbol_name  = "__tcf_chain_get",
  .pre_handler = kp_do_tcf_handler,
};

static int __init kprobe_init(void)
{
  int ret;

  ret = register_kprobe(&kp);
  if (ret < 0) {
    pr_err("register_kprobe failed, returned %d\n", ret);
    return ret;
  }

  pr_info("[probe-tcf]Planted kprobe at %p\n", kp.addr);
  return 0;
}

static void __exit kprobe_exit(void)
{
  unregister_kprobe(&kp);
  pr_info("[probe-unregistered]kprobe at %p unregistered\n", kp.addr);
}

module_init(kprobe_init)
module_exit(kprobe_exit)
MODULE_LICENSE("GPL");
MODULE_AUTHOR("pizhenwei pizhenwei@bytedance.com");

得到dump的结果

可以知道list的元素多少不等，有的不到100，有的到达了接近25W个元素。由此可以论证上面的猜测，链表元素太多。

找到哪个dev的链表元素过多

再进一步完善kprobe的逻辑，

#include <linux/kernel.h>
#include <linux/module.h>
#include <linux/kprobes.h>
#include <linux/uaccess.h>
#include <net/sch_generic.h>

static long filter_count(struct tcf_chain *chain)
{
  struct tcf_proto *tp;
  long count = 0;

  for (tp = rtnl_dereference(chain->filter_chain);
      tp; tp = rtnl_dereference(tp->next)) {
    count++;
  }

  return count;
}

static int kp_do_tcf_handler(struct kprobe *p, struct pt_regs *regs)
{
  struct tcf_block *block = (void __user *)regs->di;
  struct tcf_chain *chain;
  long count = 0, tps;
  long tpc[4] = {0};  //绘制filter count分布图
  long ref[4] = {0};  //绘制refcnt的分布图
  long action_ref[4] = {0};  //绘制action_refcnt的分布图
  long actrefonly = 0;  //过滤出来action_refcnt等于refcnt的分布图

  list_for_each_entry(chain, &block->chain_list, list) {
    count++;

    tps = filter_count(chain);
    if (tps == 0)
      tpc[0]++;
    else if (tps > 0 && tps <= 1)
      tpc[1]++;
    else if (tps > 1 && tps <= 2)
      tpc[2]++;
    else
      tpc[3]++;

    if (chain->refcnt == 0)
      ref[0]++;
    else if (chain->refcnt > 0 && chain->refcnt <= 1)
      ref[1]++;
    else if (chain->refcnt > 1 && chain->refcnt <= 2)
      ref[2]++;
    else
      ref[3]++;

    if (chain->action_refcnt == 0)
      action_ref[0]++;
    else if (chain->action_refcnt > 0 && chain->action_refcnt <= 1)
      action_ref[1]++;
    else if (chain->action_refcnt > 1 && chain->action_refcnt <= 2)
      action_ref[2]++;
    else
      action_ref[3]++;


    if (chain->action_refcnt == chain->refcnt)
      actrefonly++;
  }


#if 1
  if (count < 1000)  //过滤链表元素少于1000的情况
    return 0;
#endif

  printk("[always]DEV %s\n", block→q→dev_queue→dev→name);  //打印出来异常的netdev的名字

  printk("[always][0]count = %ld\t", tpc[0]);
  printk("[always][1]count = %ld\t", tpc[1]);
  printk("[always][2]count = %ld\t", tpc[2]);
  printk("[always][4]count = %ld\n", tpc[3]);

  printk("[always][0]action_ref = %ld\t", action_ref[0]);
  printk("[always][1]action_ref = %ld\t", action_ref[1]);
  printk("[always][2]action_ref = %ld\t", action_ref[2]);
  printk("[always][4]action_ref = %ld\n", action_ref[3]);

  printk("[always][0]ref = %ld\t", ref[0]);
  printk("[always][1]ref = %ld\t", ref[1]);
  printk("[always][2]ref = %ld\t", ref[2]);
  printk("[always][4]ref = %ld\n", ref[3]);

  printk("[always]actrefonly = %ld\n", actrefonly);

  return 0;
}

static struct kprobe kp = {
  .symbol_name  = "__tcf_chain_get",
  .pre_handler = kp_do_tcf_handler,
};

static int __init kprobe_init(void)
{
  int ret;

  ret = register_kprobe(&kp);
  if (ret < 0) {
    pr_err("register_kprobe failed, returned %d\n", ret);
    return ret;
  }

  pr_info("[probe-tcf]Planted kprobe at %p\n", kp.addr);
  return 0;
}

static void __exit kprobe_exit(void)
{
  unregister_kprobe(&kp);
  pr_info("[probe-unregistered]kprobe at %p unregistered\n", kp.addr);
}

module_init(kprobe_init)
module_exit(kprobe_exit)
MODULE_LICENSE("GPL");
MODULE_AUTHOR("pizhenwei pizhenwei@bytedance.com");