聊一聊Linux内核中Watchdog

某国中央银行在一台有 内存4T, 320个cpu核 的Linux服务器上跑一个数据库程序,数据库上存有他本国所有人民的银行账号信息,当此数据库程序在运行过程中,发生了IO读写错误,或者程序bug, 一下卡住了,那么他本国人民就都不能存钱取钱转账了,整个国民经济瞬间瘫痪。

聊一聊Linux内核中Watchdog

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在Linux内核中有三个watchdog(看门狗),它们都需要被悉心的喂养照料,分别是:

1. /dev/watchdog

2.softlockup检测机制

3.hardlockup检测机制

首先看 1./dev/watchdog,此看门狗该怎样喂养呢,linux内核中有一段样例代码:

  1. samples/watchdog/watchdog-simple.c
  2. // SPDX-License-Identifier: GPL-2.0
  3. #include <stdio.h>
  4. #include <stdlib.h>
  5. #include <unistd.h>
  6. #include <fcntl.h>
  7. int main(void)
  8. {
  9.         int fd = open(“/dev/watchdog”, O_WRONLY);
  10.         int ret = 0;
  11.         if (fd == -1) {
  12.                 perror(“watchdog”);
  13.                 exit(EXIT_FAILURE);
  14.         }
  15.         while (1) {
  16.                 ret = write(fd, “”, 1);
  17.                 if (ret != 1) {
  18.                         ret = -1;
  19.                         break;
  20.                 }
  21.                 sleep(10);
  22.         }
  23.         close(fd);
  24.         return ret;
  25. }

此例子中,每隔10秒钟就会向“/dev/watchdog” 文件写入0, 这就是喂狗过程,看到这个样例,好像不太能感受到这个看门狗大的用处,但是放在实际工程中,用处太大了,举个例子:

某国中央银行在一台有 内存4T, 320个cpu核 的Linux服务器上跑一个数据库程序,数据库上存有他本国所有人民的银行账号信息,当此数据库程序在运行过程中,发生了IO读写错误,或者程序bug, 一下卡住了,那么他本国人民就都不能存钱取钱转账了,整个国民经济瞬间瘫痪。

此时想想看,Linux系统有没有什么机制来解决这种问题了,这时候“/dev/watchdog” 来了,

这个时候只需要在数据库程序中加上类似上面的样例程序,每隔10s中就去喂狗一次,

只要数据库程序卡住,卡住之后就不能喂狗了,等到比如默认60s以后,这只狗就罢工了,立马会默认触发服务器重启。

服务器重启会重新加载数据库程序, 或者服务器在重启过程中,由于服务器与它所在的服务器集群失联,从而触发集群中的分脑检测,把数据库程序挪到集群中其它设备上跑, 此时就减少了很多损失. 所以这只狗/dev/watchdog 用处太大了。

再来看下它的实现原理:

  1. #ps -ef | grep watchdog
  2. root       104     2  0  2020 ?        00:00:00 [watchdogd]
  3. #ls -l /dev/watchdog*
  4. crw——- 1 root root  10, 130 Dec 30 20:04 /dev/watchdog
  5. crw——- 1 root root 247,   0 Dec 30 20:04 /dev/watchdog0

看到系统中有个内核线程watchdogd, 和两个字符文件:/dev/watchdog和/dev/watchdog0

其中watchdogd实时调度类线程负责具体执行喂狗,/dev/watchdog是内核提供给用户层的通用操作接口文件,用来开启这只狗,喂狗,查询状态等。/dev/watchdog0 是具体的狗子实现,可以基于具体的物理设备实现,或者是softdog内核模块以软件的方式(具体使用方法:modprobe softdog)模拟硬件实现。

来看下softdog内核模块怎样模拟硬件实现这个功能:

  1. static int __init softdog_init(void)
  2.         hrtimer_init(&softdog_ticktock, CLOCK_MONOTONIC, HRTIMER_MODE_REL);
  3.         softdog_ticktock.function = softdog_fire;
  4. static enum hrtimer_restart softdog_fire(struct hrtimer *timer)
  5.         emergency_restart();
  6. static int softdog_ping(struct watchdog_device *w)
  7.         hrtimer_start(&softdog_ticktock, ktime_set(w->timeout, 0), (60s)
  8.                       HRTIMER_MODE_REL);

从代码实现来看,很好理解,在开启看门狗(open “/dev/watchdog”😉之后,默认60s以后就会触发系统重启,在60s倒计时过程中,只有喂狗(softdog_ping)一次,它就又会恢复到60s以后才会触发系统重启,所以只要一直喂狗,emergency_restart()就不会执行,系统就不会重启。

再来看下 2.softlockup检测机制 和 3.hardlockup检测机制。

softlockup检测机制的喂狗方式是,每cpu上的hrtimer会唤醒一个migration/N内核线程,migration/N每次被唤醒之后都会对某个时间戳进行重置。

hardlockup检测机制的喂狗方式是,hrtimer每次执行时都会对一个变量进行加一。

关于softlockup和hardlockup检测机制的具体原理实现和应用场景,我最近发布了一个视频“Linux常见锁和lockup检查机制” 包含了从实现原理(linux内核代码层)和原理验证(使用ftrace调试手段)、样例代码、动手模拟实验,可以全方位理解softlockup/hardlockup.

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