XFS导致进程内核栈溢出的解决办法

系统环境

系统版本： CentOS release 6.5

kenel版本：2.6.32-431.20.3.el6.x86_64

文件系统： XFS

问题描述

系统panic，并打印以下calltrace信息：

kvm: 16396: cpu1 unhandled wrmsr: 0x391 data 2000000f
BUG: scheduling while atomic:qemu-system-x86/27122/0xffff8811
BUG: unable to handle kernel paging request at 00000000dd7ed3a8
IP: [<fffffff81058e5d>] task_rq_lock+0x4d/0xa8
PGD 0
Oops:0000 [#1] SMP
last sysfs file: /sys/devices/pci0000:00/0000:00:02.2/0000:04:00.0/host0/target0:2:1/0:2:1/block/sdb/queue/logical_block_size
...
[<ffffffff81058e5d>] ? task_rq_lock+0x4d/0xa0
[<ffffffff8106195c>] ? try_to_wakeup+0x3c/0x3e0
[<ffffffff81061d55>] ? wake_up_process+0x15/0x20
[<ffffffff810a0f62>] ? __up+0x2a/0x40
[<ffffffffa03394c2>] ? xfs_buf_unlock+0x32/0x90 [xfs]
[<ffffffffa030297f>] ? xfs_buf_item_unpin+0xcf/0x1a0 [xfs]
[<ffffffffa032f18c>] ? xfs_trans_committed_bulk+0x29c/0x2b0 [xfs]
[<ffffffff81069f15>] ? enqueue_entity+0x125/0x450
[<ffffffff81060aa3>] ? perf_event_task_sched_out+0x33/0x70
[<ffffffff81069973>] ? dequeue_entity+0x113/0x2e0
[<ffffffffa032326d>] ? xlog_cli_committed+0x0x3d/0x100 [xfs]
[<ffffffffa031f79d>] ? xlog_state_do_callback+0x15d/0x2b0 [xfs]
[<ffffffffa031f96e>] ? xlog_state_done_syncing+0x7e/0xb0 [xfs]
[<ffffffffa03200e9>] ? xlog_iodone+0x59/0xb0 [xfs]
[<ffffffffa033ae50>] ? xfs_buf_iodone_work+0x0/0x50 [xfs]
[<ffffffffa033ae76>] ? xfs_buf_iodone_work+0x26/0x50 [xfs]

截图如下：

错误跟踪

unable to handle kernel paging request at 00000000dd7ed3a0

00000000dd7ed3a0是用户空间地址，内核正常是不会访问的，所以，可以定性为内核出了BUG。

IP: [<ffffffff81058e5d>] task_rq_lock + 0x4d/0xa8

由于系统中没有部署kdump，只能通过objdump静态分析，进一步跟踪出错的指令地址。

ffffffff81058e10 <task_rq_lock>:
* interrupts. Note the ordering: we can safely lookup the task_rq without
* explicitly disabling preemption.
*/
static struct rq *task_rq_lock(struct task_struct *p, unsigned long *flags)
__acquires(rq->lock)
{
ffffffff81058e10:       55                      push   %rbp
ffffffff81058e11:       48 89 e5                mov    %rsp,%rbp
ffffffff81058e14:       48 83 ec 20             sub    $0x20,%rsp
ffffffff81058e18:       48 89 1c 24             mov    %rbx,(%rsp)
ffffffff81058e1c:       4c 89 64 24 08          mov    %r12,0x8(%rsp)
ffffffff81058e21:       4c 89 6c 24 10          mov    %r13,0x10(%rsp)
ffffffff81058e26:       4c 89 74 24 18          mov    %r14,0x18(%rsp)
ffffffff81058e2b:       e8 10 1f fb ff          callq  ffffffff8100ad40 <mcount>
ffffffff81058e30:       48 c7 c3 40 68 01 00    mov    $0x16840,%rbx
ffffffff81058e37:       49 89 fc                mov    %rdi,%r12
ffffffff81058e3a:       49 89 f5                mov    %rsi,%r13
ffffffff81058e3d:       ff 14 25 80 8b a9 81    callq  *0xffffffff81a98b80
ffffffff81058e44:       48 89 c2                mov    %rax,%rdx
PVOP_VCALLEE1(pv_irq_ops.restore_fl, f);
}
static inline void raw_local_irq_disable(void)
{
PVOP_VCALLEE0(pv_irq_ops.irq_disable);
ffffffff81058e47:       ff 14 25 90 8b a9 81    callq  *0xffffffff81a98b90
struct rq *rq;

for (;;) {
local_irq_save(*flags);
ffffffff81058e4e:       49 89 55 00             mov    %rdx,0x0(%r13)
rq = task_rq(p);
ffffffff81058e52:       49 8b 44 24 08          mov    0x8(%r12),%rax
ffffffff81058e57:       49 89 de                mov    %rbx,%r14
ffffffff81058e5a:       8b 40 18                mov    0x18(%rax),%eax
ffffffff81058e5d:       4c 03 34 c5 60 cf bf    add    -0x7e4030a0(,%rax,8),%r14
ffffffff81058e64:       81
spin_lock(&rq->lock);
ffffffff81058e65:       4c 89 f7                mov    %r14,%rdi
ffffffff81058e68:       e8 a3 23 4d 00          callq  ffffffff8152b210 <_spin_lock>

通过objdump反汇编vmlinux，定位出错的指令，当运行到ffffffff81058e5d这个地址时，系统出错，找到对应的代码段，发现是在task_rq_lock()调用task_rq()时出错。

kernel/sched.c

#define task_rq(p)              cpu_rq(task_cpu(p))

/*
* task_rq_lock - lock the runqueue a given task resides on and disable
* interrupts. Note the ordering: we can safely lookup the task_rq without
* explicitly disabling preemption.
*/
static struct rq *task_rq_lock(struct task_struct *p, unsigned long *flags)
__acquires(rq->lock)
{
struct rq *rq;

for (;;) {
local_irq_save(*flags);
rq = task_rq(p);
spin_lock(&rq->lock);
if (likely(rq == task_rq(p)))
return rq;
spin_unlock_irqrestore(&rq->lock, *flags);
}
}

include/linux/sched.h

#define task_thread_info(task)  ((struct thread_info *)(task)->stack)

static inline unsigned int task_cpu(const struct task_struct *p)
{
return task_thread_info(p)->cpu;
}

union thread_union {
struct thread_info thread_info;
unsigned long stack[THREAD_SIZE/sizeof(long)];
};

看到这里终于有了眉目，原来进程的thread_info和内核栈stack共处在一个union中，由于内核栈溢出导致thread_info被破坏。再来看看内核栈的大小：

arch/x86/include/asm/page_64_types.h

#define THREAD_ORDER    1
#define THREAD_SIZE  (PAGE_SIZE << THREAD_ORDER)
#define CURRENT_MASK (~(THREAD_SIZE - 1))

在64位系统中，内核栈大小为8K。

thread_info结构和进程的内核态stack结构共存于一个union结构中，结构总大小默认是8KB。XFS进程由于某种原因使用过多的stack空间，导致stack溢出，破坏thread_info结构。

“scheduling while atomic”应该是由于堆栈溢出覆盖了进程的thread_info结构体中的抢占计数（preempt count），导致下次被唤醒时抢占计数非零，出现panic。

原因分析

经objdump分析，XFS导致堆栈溢出有两种可能性：

一种可能是xfs_iomap_write_direct()函数未使用XFS_BMAPI_STACK_SWITCH标志，导致xfs_bmapi_allocate分配时，没有使用xfs_bmapi_allocate_worker分配到一个新的thread上（新的thread能保证有充足的栈），而是直接分配到了进程自己的内核栈，从而导致进程的内核栈溢出。

该bug在kernel-3.4的（commit c999a22 “xfs: introduce an allocation workqueue”）中得到fix。

另有一种争议认为，使用专门的allocation工作队列会因为线程创建的增加系统开销导致IO回写变慢，并且8K的内核栈对于超过8K的调用深度的进程依然会束手无策，所以kernel-3.16引入了（6538b8e x86_64: expand kernel stack to 16K）

内核讨论组https://lwn.net/Articles/600647/比较了(commit c999a22 “xfs: introduce an allocation workqueue”)将writeback stack分到一个worker thread上和扩展内核栈为16K（6538b8e x86_64: expand kernel stack to 16K）这两种方案，有兴趣可以读一下。

目前centos的2.6.32-520.el6已经将kernel-3.16的这个patch（6538b8e x86_64: expand kernel stack to 16K）从mainline拉了回来。这两个patch并不冲突，建议先将kernel升级看一下扩展内核栈为16K能否解决xfs_iomap_write_direct的问题，如果不能可以进一步把（commit c999a22 “xfs: introduce an allocation workqueue”）拉回来。

另外一个可能的原因是xfs_buf_lock()函数恰好在被一个信号量阻塞之前，执行了一个log force操作，而log force的调用比较深，堆栈消耗比较大，导致系统panic。与centos kernel changelog里的bug号1028831是同一个问题，该bug已经在2.6.32-495.el6中fix。

解决方案

升级kenel版本至≥2.6.32-520.el6，保证相关的patch已经包含进来。

changelog

[2.6.32-520.el6]

[kernel] x86_64: expand kernel stack to 16K (Johannes Weiner) [1045190 1060721]

[2.6.32-495.el6]

[fs] xfs: always do log forces via the workqueue (Eric Sandeen) [1028831]

[fs] xfs: Do background CIL flushes via a workqueue (Eric Sandeen) [1028831]