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内核编程与应用编程对比

内核编程与应用编程对比 研究底层技术、阅读Linux内核源码,一直是很多技术人的兴趣所在。但坦白说,尽管对此抱有热情,真正专职从事内核开发的机会并不多。以笔者为例,早年工作虽涉及负载均衡,但数据处理仍停留在应用层——当然,这与应用编程常见的业务逻辑开发已有很大不同。 直到当前这份工作,才算真正扎进了

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    内核编程与应用编程对比

    研究底层技术、阅读Linux内核源码,一直是很多技术人的兴趣所在。但坦白说,尽管对此抱有热情,真正专职从事内核开发的机会并不多。以笔者为例,早年工作虽涉及负载均衡,但数据处理仍停留在应用层——当然,这与应用编程常见的业务逻辑开发已有很大不同。

    直到当前这份工作,才算真正扎进了内核开发的领域。对于资源有限的小公司而言,有时确实没有余力去构建应用层的协议栈。即便有netmap、DPDK这类成熟框架,以及轻量级的用户态协议栈如lwip可选。将数据包映射到用户空间,不仅会带来内存管理、连接控制等额外工作量,还意味着无法直接利用netfilter(例如iptables)已有的功能——尽管后者的效率或许不是最高。

    尽管缺乏正式的内核开发经验,但凭借过往的技术积累,还是接下了内核模块的开发任务。这多少有些“被迫勇敢”的成分,毕竟团队里没有更合适的人选。好在负责的是相对独立的网络模块,从结果来看,整个过程还算顺利。

    转眼三个多月过去,模块运行基本稳定,没出过大问题。期间踩过不少小坑,也解决了不少难题,于是决定写篇东西记录和分享一下——你看,铺垫了这么多才切入正题,我果然很会跑题。希望这些心得,能给有志于内核开发的朋友带来一些参考。

    到目前为止,内核编程给人最深刻的体会,是程序的“执行流”异常复杂,其并发逻辑远比应用编程来得棘手。这里提到的“执行流”是个自创的说法,但大致能传达意思。在应用编程中,谈到并发,无非是多进程、多线程,通常用锁保护好共享资源,问题就不大了。一个线程可以看作一个执行流,只要不被信号打断,代码总是顺序执行。换言之,我们在应用层写的代码和业务逻辑,只会被我们自己创建的线程或进程执行。信号处理函数通常也写得很简单,多半只是设置个标志位。

    但在内核里,情况就大不相同了。中断、软中断、定时器、系统调用……这些都可能成为切入业务逻辑的执行流。由于内核自身的特性,对共享资源的保护也需要仔细斟酌,选用不同的手段。

    举个例子,某些共享资源最初用spin_lock保护,但随着功能增加,需要加入与用户空间的交互。实现时,有时会直接调用现有的代码模块。结果发现,那些模块里对共享资源的保护也用了spin_lock,而数据包转发的核心逻辑又跑在软中断里,一不小心,就导致了死锁。

    除了自己踩坑,也修复过别人留下的bug。其中一个问题令人印象深刻:产品会不定期重启,但在我们本地环境却无法复现。刚接触产品代码时,面对这种难以重现的重启bug,最笨的方法往往最有效——代码审查。幸好核心功能的代码量不算庞大,花了两天时间读懂大部分逻辑,顺手修正了几个可能导致重启的隐患。客户升级后,问题大部分消失了,但仍有零星重启现象。这说明,还有漏网之鱼。

    这时,整个关键流程已经在脑海里梳理清楚了。解决这个问题的过程很有意思:靠在椅背上,望着天花板,心里把数据包从入口到出口的完整流程,连同所有分支和特殊情况,从头到尾推演了一遍。然后,灵光一现!整个过程不到十五分钟。接着便是查看代码,验证猜想。

    问题根源如下:出于某种业务需求,代码申请了一个动态结构体,并设置了超时定时器,到期释放。当业务逻辑访问该结构时,会刷新其访问时间,延长生命周期。但在某些情况下,需要提前删除这个结构,这时会调用del_timer删除定时器,然后释放内存。看到这样的代码,立刻让人警觉:如果调用del_timer时,定时器正在执行,怎么办?一查资料,果然,del_timer返回并不能保证定时器没有正在执行。那么,定时器还在执行,动态结构却被释放了,定时器也随之释放,这样的代码显然有问题。

    如何解决?第一个念头是保证同步删除,用del_timer_sync。但仔细一想,这仍有问题。这个动态结构原本是靠定时器超时释放的,现在要强制释放,即便用del_timer_sync停掉了定时器,也可能定时器已经超时并完成了释放操作,此时再强制释放就成了双重释放。同时,del_timer_sync这种同步操作,必然带来性能开销。最终的解决方案是增加一个标志位,在强制删除时置位,确保释放操作只有一个执行者,同时引入引用计数机制。

    最近,为了优化性能,自己也引入了两个bug,好在都及时修正了。出bug的原因,还是对Linux内核本身不够熟悉。其中一个最近发现的bug,足足花了一天时间才定位到原因。现象是:运行某个特定应用程序时,会导致内核崩溃。起初,甚至一度怀疑这是内核自身的bug——虽然觉得可能性不大,但还是着手验证排除。因为不运行这个程序时,内核模块完全正常;一运行,内核就崩溃。而这个应用程序与我们的内核模块没有任何直接交互。

    后来分析该应用程序的代码,发现它与网络最相关的操作,就是注册了一个PF_PACKET类型的socket,用于抓取所有网卡的数据包。于是去查看相关代码,发现PF_PACKET的收包函数会检查skb是否被共享,如果是就克隆一份。同样地,ip_rcv入口处也有类似逻辑。这意味着,当该应用程序运行时,ip_rcv会检测到skb是共享的,从而执行克隆操作。这就是应用程序运行与否,内核处理数据包流程的最大区别。

    于是,修改ip_rcv的代码,不再检查skb是否共享,而是直接克隆。果然,即使不启动那个应用程序,内核依然崩溃。这就证明了,问题出在自己的代码里,而且与skb相关。经过一番排查,最终找到了根本原因。

    在netfilter的两个hook点上,注册了两个钩子函数。前一个钩子函数初始化了一些per cpu变量;后一个钩子函数则简单判断:如果per_cpu->skb与hook的参数skb相等,就不再初始化,直接使用per cpu的变量。问题就在于,当有skb_clone调用时,不同hook点被调用时,skb->data指向的内存地址发生了变化。第二个hook点处,skb->data与第一个hook点处不一致。但skb_clone本身并不会导致这个结果。这说明在netfilter的不同hook点之间,当skb被克隆后,其数据空间可能会被重新分配——具体是哪段代码导致的,暂时没有深究。

    这个bug带来了一个深刻的教训:内核编程中,你不可能熟悉Linux内核的所有代码。因此,编程时必须牢记,除非是内核明确定义的行为,否则不能放心使用。不能仅仅依靠简单的测试,就认为某些未定义的行为是安全可靠的。就像上面的例子,内核从未保证两个hook点之间的skb是相同的,也从未保证skb的数据空间(skb->data)是一致的。

    在Linux内核中实现网关类功能时,还有一个体会:虽然Linux提供了大量现成组件,能加速开发进程,但内核本身的架构是为通用计算设计的,并非专为网络处理优化。其网络模块的架构存在不少固有的弊端和不便之处,尤其是对比笔者之前公司的产品架构——那个架构看上去简单,但越深入体会,越能感受到“简单即是美”的真谛!这种美体现在两方面:一是产品效率(即性能),二是开发效率。

    Note: 其实,做网络设备做到高性能的产品,其底层架构大多有相似之处。但正是那些细微之处的不同,最终造就了产品性能的差异。

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