linux系统中用户态进程死循环的过程以及解决办法

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1、问题现象

业务进程(用户态多线程程序)挂死，操作系统反应迟钝，系统日志没有任何异常。从进程的内核态堆栈看，看似所有线程都卡在了内核态的如下堆栈流程中：

[root@vmc116 ~]# cat /proc/27007/task/11825/stack

[] retint_careful+0x14/0x32

[] 0xffffffffffffffff

2、问题分析

1）内核堆栈分析

从内核堆栈看，所有进程都阻塞在 retint_careful上，这个是中断返回过程中的流程，代码(汇编)如下：

entry_64.S

代码如下:

ret_from_intr:
   DISABLE_INTERRUPTS(CLBR_NONE)
   TRACE_IRQS_OFF
   decl PER_CPU_VAR(irq_count)
   /* Restore saved previous stack */
   popq %rsi
   CFI_DEF_CFA rsi,SS+8-RBP    /* reg/off reset after def_cfa_expr */
   leaq ARGOFFSET-RBP(%rsi), %rsp
   CFI_DEF_CFA_REGISTER    rsp
   CFI_ADJUST_CFA_OFFSET    RBP-ARGOFFSET
   。。。
   retint_careful:
   CFI_RESTORE_STATE
   bt    $TIF_NEED_RESCHED,%edx
   jnc   retint_signal
   TRACE_IRQS_ON
   ENABLE_INTERRUPTS(CLBR_NONE)
   pushq_cfi %rdi
   SCHEDULE_USER
   popq_cfi %rdi
   GET_THREAD_INFO(%rcx)
   DISABLE_INTERRUPTS(CLBR_NONE)
   TRACE_IRQS_OFF
   jmp retint_check

这其实是用户态进程在用户态被中断打断后，从中断返回的流程，结合retint_careful+0x14/0x32，进行反汇编，可以确认阻塞的点其实就在
SCHEDULE_USER
这其实就是调用schedule()进行调度，也就是说当进程走到中断返回的流程中时，发现需要调度(设置了TIF_NEED_RESCHED)，于是在这里发生了调度。
有一个疑问：为什么在堆栈中看不到schedule()这一级的栈帧呢？
因为这里是汇编直接调用的，没有进行相关栈帧压栈和上下文保存操作。

2）进行状态信息分析
从top命令结果看，相关线程实际一直处于R状态，CPU几乎完全耗尽，而且绝大部分都消耗在用户态：
[root@vmc116 ~]# top
top - 09:42:23 up 16 days,  2:21, 23 users,  load average: 84.08, 84.30, 83.62
Tasks: 1037 total,  85 running, 952 sleeping,   0 stopped,   0 zombie
Cpu(s): 97.6%us,  2.2%sy,  0.2%ni,  0.0%id,  0.0%wa,  0.0%hi,  0.0%si,  0.0%st
Mem:  32878852k total, 32315464k used,   563388k free,   374152k buffers
Swap: 35110904k total,    38644k used, 35072260k free, 28852536k cached

  PID USER      PR  NI  VIRT  RES  SHR S %CPU %MEM    TIME+  COMMAND                                                                                                                    
27074 root      20   0 5316m 163m  14m R 10.2  0.5 321:06.17 z_itask_templat                                                                                                               
27084 root      20   0 5316m 163m  14m R 10.2  0.5 296:23.37 z_itask_templat                                                                                                                  
27085 root      20   0 5316m 163m  14m R 10.2  0.5 337:57.26 z_itask_templat                                                                                                                  
27095 root      20   0 5316m 163m  14m R 10.2  0.5 327:31.93 z_itask_templat                                                                                                                  
27102 root      20   0 5316m 163m  14m R 10.2  0.5 306:49.44 z_itask_templat                                                                                                                  
27113 root      20   0 5316m 163m  14m R 10.2  0.5 310:47.41 z_itask_templat                                                                                                                  
25730 root      20   0 5316m 163m  14m R 10.2  0.5 283:03.37 z_itask_templat                                                                                                                  
30069 root      20   0 5316m 163m  14m R 10.2  0.5 283:49.67 z_itask_templat                                                                                                                  
13938 root      20   0 5316m 163m  14m R 10.2  0.5 261:24.46 z_itask_templat                                                                                                                  
16326 root      20   0 5316m 163m  14m R 10.2  0.5 150:24.53 z_itask_templat                                                                                                                  
 6795 root      20   0 5316m 163m  14m R 10.2  0.5 100:26.77 z_itask_templat                                                                                                                  
27063 root      20   0 5316m 163m  14m R  9.9  0.5 337:18.77 z_itask_templat                                                                                                                  
27065 root      20   0 5316m 163m  14m R  9.9  0.5 314:24.17 z_itask_templat                                                                                                                  
27068 root      20   0 5316m 163m  14m R  9.9  0.5 336:32.78 z_itask_templat                                                                                                                  
27069 root      20   0 5316m 163m  14m R  9.9  0.5 338:55.08 z_itask_templat                                                                                                                  
27072 root      20   0 5316m 163m  14m R  9.9  0.5 306:46.08 z_itask_templat                                                                                                                  
27075 root      20   0 5316m 163m  14m R  9.9  0.5 316:49.51 z_itask_templat                                                                                                                  
...

3）进程调度信息
从相关线程的调度信息看：
[root@vmc116 ~]# cat /proc/27007/task/11825/schedstat
15681811525768 129628804592612 3557465
[root@vmc116 ~]# cat /proc/27007/task/11825/schedstat
15682016493013 129630684625241 3557509
[root@vmc116 ~]# cat /proc/27007/task/11825/schedstat
15682843570331 129638127548315 3557686
[root@vmc116 ~]# cat /proc/27007/task/11825/schedstat
15683323640217 129642447477861 3557793
[root@vmc116 ~]# cat /proc/27007/task/11825/schedstat
15683698477621 129645817640726 3557875
发现相关线程的调度统计一直在增加，说明相关线程一直是在被调度运行的，结合其状态也一直是R，推测很可能在用户态发生了死循环(或者非睡眠死锁)。

这里又有问题：为什么从top看每个线程的CPU占用率只有10%左右，而不是通常看到的死循环进程导致的100%的占用率？
因为线程数很多，而且优先级都一样，根据CFS调度算法，会平均分配时间片，不会让其中一个线程独占CPU。结果为多个线程间轮流调度，消耗掉了所有的cpu。。
另一个问题：为什么这种情况下，内核没有检测到softlockup？
因为业务进程的优先级不高，不会影响watchdog内核线程(最高优先级的实时线程)的调度，所以不会产生softlockup的情况。
再一个问题：为什么每次查看线程堆栈时，总是阻塞在retint_careful，而不是其它地方？
因为这里(中断返回的时候)正是调度的时机点，在其它时间点不能发生调度(不考虑其它情况~)，而我们查看线程堆栈的行为，也必须依赖于进程调度，所以我们每次查看堆栈时，正是查看堆栈的进程(cat命令)得到调度的时候，这时正是中断返回的时候，所以正好看到的阻塞点为retint_careful。

4）用户态分析
从上面的分析看，推测应该是用户态发生了死锁。

用户态确认方法：
部署debug信息，然后gdb attach相关进程，确认堆栈，并结合代码逻辑分析。
最终确认该问题确为用户态进程中产生了死循环。

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本文名称：linux系统中用户态进程死循环的过程以及解决办法
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