1. 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。
2. 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
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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。
3. 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;}
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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 15b5c8320b8602cd0xffffffffa5b03946 <__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39974650860xffffffffa5b03949 <__getnstimeofday64+153>: cmp $0x3b9ac9ff,%rax-------------------------------------剩余是否小于1ns0xffffffffa5b0394f <__getnstimeofday64+159>: ja 0xffffffffa5b03940 <__getnstimeofday64+144> /include/linux/time.h: 215---对应 timespec_add_ns0xffffffffa5b03951 <__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_sec0xffffffffa5b0395b <__getnstimeofday64+171>: cmpl $0x1,0xc55702(%rip) # 0xffffffffa6759064----if(timekeeping_suspended) /kernel/time/timekeeping.c: 5120xffffffffa5b03962 <__getnstimeofday64+178>: pop %rbx0xffffffffa5b03963 <__getnstimeofday64+179>: pop %r120xffffffffa5b03965 <__getnstimeofday64+181>: pop %r13
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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
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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;}
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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
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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;}
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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> timekeepertimekeeper = $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 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
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timekeeper 是选择当前精度最高的 clocksource 来工作的：
crash> dis -l 0xffffffffa662ea800xffffffffa662ea80 <clocksource_tsc>: addb $0xa5,-0x5d(%rcx)--------------就是 clocksource_tsc ，tsc就是一个clock_source
crash> clocksource_tscclocksource_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}
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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();}
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timekeeping_delta_to_ns 返回值过大，有两种可能：
一种是 delta 的偏大，delta * tkr->mult 对 s64 的值产生溢出，这个算是个 bug。还有一种可能是，直接前后读取的 delta 值太大，这涉及到 update_wall_time 并没有及时调用去读取当前 clocksource 的 cycle。
4. 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;
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而且查看红帽的 changelog，也按照上游这样修复，但是我觉得风险还在的，因为 update_wall_time 有时候更新就不是那么及时，而哪怕从 s64 改到 u64，并没有解决溢出问题，因为 timekeeping_delta_to_ns 函数中明显可以看到，u64 的 64 位并没有全部用到 cycle 的差值上。我相信社区最终应该会有人爆这个问题的。
5. 故障规避或解决
可能的解决方案是：
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。
作者简介
Anqing 高级后端工程师
目前主要负责 linux 内核及容器，虚拟机等虚拟化方面的工作。
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