本文主要讲解linux 时间管理系统中的一个问题
背景：linux 时间管理，包含clocksource，clockevent，timer，tick，timekeeper等等概念 ，
这些概念有机地组成了完整的时间代码体系。当然，是代码就会有bug，本文通过一个bug入手，
在实战中加深对理论的认识。
获取时间，但是crash了。
一、故障现象
oppo云内核团队接到连通性告警报障，发现机器复位：
PID: 0 TASK: ffff8d2b3775b0c0 CPU: 1 COMMAND: "swapper/1"
#0 [ffff8d597f6489f0] machine_kexec at ffffffffa5a63b34
#1 [ffff8d597f648a50] __crash_kexec at ffffffffa5b1e242
#2 [ffff8d597f648b20] panic at ffffffffa615d85b
#3 [ffff8d597f648ba0] nmi_panic at ffffffffa5a9859f
#4 [ffff8d597f648bb0] watchdog_overflow_callback at ffffffffa5b4a881
#5 [ffff8d597f648bc8] __perf_event_overflow at ffffffffa5ba26b7
#6 [ffff8d597f648c00] perf_event_overflow at ffffffffa5babd24
#7 [ffff8d597f648c10] intel_pmu_handle_irq at ffffffffa5a0a850
#8 [ffff8d597f648e38] perf_event_nmi_handler at ffffffffa616d031
#9 [ffff8d597f648e58] nmi_handle at ffffffffa616e91c
#10 [ffff8d597f648eb0] do_nmi at ffffffffa616ebf8
#11 [ffff8d597f648ef0] end_repeat_nmi at ffffffffa616dd89
[exception RIP: __getnstimeofday64+144]
RIP: ffffffffa5b03940 RSP: ffff8d597f643c78 RFLAGS: 00000212
RAX: 15b5c8320b8602cd RBX: ffff8d597f643cb0 RCX: 000000005f89ee29
RDX: 00000000ee4479fe RSI: 0000012b5478f3b2 RDI: 0009709c7629b240
RBP: ffff8d597f643c90 R8: 00000000007001de R9: ffff8d596d5c0000
R10: 000000000000007a R11: 000000000000000e R12: ffffffffa662ea80
R13: 000000003ccbcfb6 R14: ffff8d895de08000 R15: 0000000000000081
ORIG_RAX: ffffffffffffffff CS: 0010 SS: 0018
--- <NMI exception stack> ---
#12 [ffff8d597f643c78] __getnstimeofday64 at ffffffffa5b03940
#13 [ffff8d597f643c98] getnstimeofday64 at ffffffffa5b0398e
#14 [ffff8d597f643ca8] ktime_get_real at ffffffffa5b03a45
#15 [ffff8d597f643cd0] netif_receive_skb_internal at ffffffffa603b936
#16 [ffff8d597f643d00] napi_gro_receive at ffffffffa603c588
#17 [ffff8d597f643d28] mlx5e_handle_rx_cqe_mpwrq at ffffffffc052ef1d [mlx5_core]
#18 [ffff8d597f643db8] mlx5e_poll_rx_cq at ffffffffc052f4b8 [mlx5_core]
#19 [ffff8d597f643e08] mlx5e_napi_poll at ffffffffc05304c6 [mlx5_core]
#20 [ffff8d597f643e78] net_rx_action at ffffffffa603bf1f
#21 [ffff8d597f643ef8] __do_softirq at ffffffffa5aa2155
#22 [ffff8d597f643f68] call_softirq at ffffffffa617a32c
#23 [ffff8d597f643f80] do_softirq at ffffffffa5a2e675
从堆栈看，我们的0号进程在处理软中断收包的过程中，因为获取个时间，导致了crash。
hardlock的分析之前已经给出了很多了，无非是关中断时间长了，具体关中断的地方，
可以看call_softirq函数即可。
二、故障现象分析
1、理论知识：
在处理网络包的软中断过程中，会打时间戳，也就是说，
对于oppo云的机器来说，以上的调用栈路径是一个热点且成熟的路径。
成熟的路径出问题比较少见，所以有必要分享一下。
在timekeeping初始化的时候，很难选择一个最好的clock source，
因为很有可能最好的那个还没有初始化呢。因此，策略就是采用一个在timekeeping初始化时
一定是ready的clock source，比如基于jiffies 的那个clocksource。
一般而言，timekeeping模块是在tick到来的时候更新各种系统时钟的时间值，
ktime_get调用很有可能发生在两次tick之间，这时候，仅仅依靠当前系统时钟的值精度就不够了，
毕竟那个时间值是per tick更新的。因此，为了获得高精度，ns值的获取
是通过timekeeping_get_ns完成的，timekeeping_get_ns就是本文的主角，
该函数获取了real time clock的当前时刻的纳秒值，
而这是通过上一次的tick时候的real time clock的时间值（xtime_nsec）
加上当前时刻到上一次tick之间的delta时间值计算得到的。
系统运行之后，real time clock+ wall_to_monotonic是系统的uptime，
而real time clock+ wall_to_monotonic + sleep time也就是系统的boot time。
2、实战分析：
根据调用堆栈，简单地看，__getnstimeofday64只有一个循环，那就是读取timekeeper_seq
的顺序锁，代码分析如下：
int __getnstimeofday64(struct timespec64 *ts)
{
struct timekeeper *tk = &timekeeper;
unsigned long seq;
s64 nsecs = 0;
do {
seq = read_seqcount_begin(&timekeeper_seq);
ts->tv_sec = tk->xtime_sec;//caq:秒值赋值
nsecs = timekeeping_get_ns(&tk->tkr_mono);
} while (read_seqcount_retry(&timekeeper_seq, seq));
ts->tv_nsec = 0;
timespec64_add_ns(ts, nsecs);//caq:这里面还有个循环呢，
/*
* Do not bail out early, in case there were callers still using
* the value, even in the face of the WARN_ON.
*/
if (unlikely(timekeeping_suspended))
return -EAGAIN;
return 0;
}
但是从汇编展开来看：
0xffffffffa5b0393b <__getnstimeofday64+139>: xor %edx,%edx----清零 u32 ret = 0;
0xffffffffa5b0393d <__getnstimeofday64+141>: nopl (%rax)
0xffffffffa5b03940 <__getnstimeofday64+144>: sub $0x3b9aca00,%rax---------------------1s就是1000000000 ns，循坏在这，而栈中的rax为 15b5c8320b8602cd
0xffffffffa5b03946 <__getnstimeofday64+150>: add $0x1,%edx---------ret++;edx is the lower 32 bit of rdx，rdx为00000000ee4479fe，所以edx为 0xee4479fe,也就是3997465086
0xffffffffa5b03949 <__getnstimeofday64+153>: cmp $0x3b9ac9ff,%rax-------------------------------------剩余是否小于1ns
0xffffffffa5b0394f <__getnstimeofday64+159>: ja 0xffffffffa5b03940 <__getnstimeofday64+144>
/include/linux/time.h: 215---对应 timespec_add_ns
0xffffffffa5b03951 <__getnstimeofday64+161>: add %rcx,%rdx---delta算出的秒值+之前保存的秒值，就是最新的秒值
0xffffffffa5b03954 <__getnstimeofday64+164>: mov %rax,0x8(%rbx)----剩余的ns，赋值给a->tv_nsec = ns;
0xffffffffa5b03958 <__getnstimeofday64+168>: mov %rdx,(%rbx)---加完delta秒值的最新的秒值，赋值给a->tv_sec
0xffffffffa5b0395b <__getnstimeofday64+171>: cmpl $0x1,0xc55702(%rip) # 0xffffffffa6759064----if(timekeeping_suspended)
/kernel/time/timekeeping.c: 512
0xffffffffa5b03962 <__getnstimeofday64+178>: pop %rbx
0xffffffffa5b03963 <__getnstimeofday64+179>: pop %r12
0xffffffffa5b03965 <__getnstimeofday64+181>: pop %r13
从堆栈看出，我们循环在__getnstimeofday64+144
0xffffffffa5b03940 <__getnstimeofday64+144>: sub $0x3b9aca00,%rax---------------------1s就是1000000000 ns，循坏在这，而栈中的rax为 15b5c8320b8602cd
原来我们循环在timespec64_add_ns 函数里面：
static __always_inline void timespec64_add_ns(struct timespec64 *a, u64 ns)
{
a->tv_sec += __iter_div_u64_rem(a->tv_nsec + ns, NSEC_PER_SEC, &ns);
a->tv_nsec = ns;
}
__iter_div_u64_rem展开如下：
static __always_inline u32
__iter_div_u64_rem(u64 dividend, u32 divisor, u64 *remainder)
{
u32 ret = 0;
while (dividend >= divisor) {//这个循环
/* The following asm() prevents the compiler from
optimising this loop into a modulo operation. */
asm("" : "+rm"(dividend));
dividend -= divisor;
ret++;
}
*remainder = dividend;
return ret;
}
我们的入参divisor是 NSEC_PER_SEC，也就是10的9次方，16进制为0x3b9aca00，
既然在循环，那么我们的dividend是rax，请注意看值为：
RAX: 15b5c8320b8602cd
crash> p 0x15b5c8320b8602cd/0x3b9aca00
$7 = 1564376562
按照这样计算，要计算完毕，还得循环 1564376562 这么多次。
这么大的一个值，确实不知道循环到猴年马月去。
那么这个值怎么来的呢？原来这个值是前后两次读取closk_source的cycle差值计算出来的。
static inline s64 timekeeping_get_ns(struct tk_read_base *tkr)
{
u64 delta;
delta = timekeeping_get_delta(tkr);//caq:上次读取与本次读取之间的差值
return timekeeping_delta_to_ns(tkr, delta);//caq:差值转换为ns
}
delta的来源是：
static inline u64 timekeeping_get_delta(struct tk_read_base *tkr)
{
u64 cycle_now, delta;
struct clocksource *clock;
/* read clocksource: */
clock = tkr->clock;
cycle_now = tkr->clock->read(clock);//当前值是通过读取来的
/* calculate the delta since the last update_wall_time */
delta = clocksource_delta(cycle_now, clock->cycle_last, clock->mask);//计算差值
return delta;
}
原来，delta的获取是线读取当前clocksource的cycle值，然后通过clocksource_delta
计算对应的差值，
根据以上代码，首先我们得知道当前的clocksource是哪个：
crash> timekeeper
timekeeper = $1 = {
tkr_mono = {------------------------------timekeeping_get_ns(&tk->tkr_mono)
clock = 0xffffffffa662ea80, ------------这个就是 clocksource，这个值当前就是 clocksource_tsc
cycle_last = 16728674596502256,
mult = 7340510,
shift = 24,
xtime_nsec = 2657092090049088, 这个值并不是ns，而是要 >>tkr->shift才是ns
base = {
tv64 = 2788453640047242
}
},
tkr_raw = {
clock = 0xffffffffa662ea80,
cycle_last = 16728674596502256,
mult = 8007931,
shift = 24,
xtime_nsec = 0,
base = {
tv64 = 2788490058099290
}
},
xtime_sec = 1602874921, ------------------当前的秒数
timekeeper是选择当前精度最高的clocksource来工作的：
crash> dis -l 0xffffffffa662ea80
0xffffffffa662ea80 <clocksource_tsc>: addb $0xa5,-0x5d(%rcx)--------------就是 clocksource_tsc ，tsc就是一个clock_source
crash> clocksource_tsc
clocksource_tsc = $2 = {
read = 0xffffffffa5a34180, -----------read_tsc
cycle_last = 16728674596502256, ------上次更新墙上时间的时刻取的cycle值
mask = 18446744073709551615,
mult = 8007931,
shift = 24, ----------------------注意位数
max_idle_ns = 204347035648,
maxadj = 880872,
archdata = {
vclock_mode = 1
},
name = 0xffffffffa647c1cd "tsc", ---名称
list = {
next = 0xffffffffa6633ff8,
prev = 0xffffffffa665c9b0
},
rating = 300, --------------优先级，
enable = 0x0,
disable = 0x0,
flags = 35, ---没有CLOCK_SOURCE_UNSTABLE标志
suspend = 0x0,
resume = 0x0,
owner = 0x0
}
差值的计算分析如下：
static inline s64 timekeeping_delta_to_ns(struct tk_read_base *tkr,
u64 delta)
{
s64 nsec;//注意，这里是带符号数
nsec = delta * tkr->mult + tkr->xtime_nsec;
nsec >>= tkr->shift;//换算成ns
/* If arch requires, add in get_arch_timeoffset() */
return nsec + arch_gettimeoffset();
}
timekeeping_delta_to_ns返回值过大，
就是delta的偏大，delta * tkr->mult 对s64的值产生较大值导致转s64时变为负数，
这个算是个bug。
三、故障复现
这个s64溢出的bug，在社区已经修复了
-static inline s64 timekeeping_delta_to_ns(struct tk_read_base *tkr,
+static inline u64 timekeeping_delta_to_ns(struct tk_read_base *tkr,
cycle_t delta)
{
- s64 nsec;
+ u64 nsec;
而且查看红帽的changelog，也按照上游这样修复的，具体升级到
kernel-3.10.0-1160.15.2.el7 及以上。
但同时，作者也说明了哪怕从s64改到u64，并没有根本上解决溢出问题，
因为 timekeeping_delta_to_ns
函数中明显可以看到，就算patch之后，u64的64位并没有全部用到ns的差值上。
比如当 update_wall_time 有时候更新就不是那么及时时，还是会导致u64产生溢出。
四、故障规避或解决
可能的解决方案是：
1、增加告警，对于softlock的要及时介入，有可能导致 update_wall_time 更新不及时。
2、访问HPET的时间开销为访问TSC时间开销的好几倍，如果内核日志有Clocksource tsc unstable
之类的，会带来潜在的开销，需要增加监控告警或者指定cmdline选项 tsc=reliable。