如何诊断SLUB问题【转】

转自：http://linuxperf.com/?p=184

在前文中，我们介绍了在RHEL6及较早的kernel上诊断slab泄漏问题的两种方法，可以说相当麻烦了，这是因为以前的slab没有提供原生的故障诊断机制。Linux kernel自2.6.23之后采用的Slub自带了故障诊断机制，就方便很多，然而习惯上仍然把slub称作slab。如何判断你的系统kernel是否在用slub呢？仅从kernel版本号是看不准的，比如RHEL6的kernel版本2.6.x仍然在使用slab，从RHEL7才开始采用Slub。有一个简单的判断方法，就是看是否存在/sys/kernel/slab目录，有就是slub，没有就是slab。

Slub的debug机制

了解slub的debug机制之前，先要弄清楚可能会出现哪些问题，无论是slab还是slub，问题无非是以下几类：

• 内存泄露（leak），alloc之后忘了free，导致内存占用不断增长；
• 越界（overrun），访问了alloc分配的区域之外的内存，覆盖了不属于自己的数据；
• 使用已经释放的内存（use after free），正常情况下，已经被free释放的内存是不应该再被读写的，否则就意味着程序有bug；
• 使用未经初始化的数据（use uninitialised bytes），缺省模式下alloc分配的内存是不被初始化的，内存值是随机的，直接使用的话后果可能是灾难性的。

Slub提供了red zone和poisoning等debug机制来检测以上问题。

• Red zone来自于橄榄球术语，是指球场底线附近的区域，slub通过在每一个对象后面额外添加一块red zone区域来帮助检测越界(overrun)问题，在red zone里填充了特征字符，如果代码访问到了red zone就意味着越界了。
• Poisoning是通过往slub对象中填充特征字符的方式来检测use-after-free、use-uninitialised等问题，比如在分配slub对象时填充0x5a，在释放时填充0x6b，然后debug代码检查时如果看到本该是0x6b的位置变成了别的内容，就可能是发生了use-after-free，而本该是0x5a的位置如果变成了其它内容就意味着可能是use-uninitialised问题。更多的poison字节定义参见以下文件：
  /lib/modules/$(uname -r)/build/include/linux/poison.h

（图）SLUB对象的格式
* 绿色的 Payload表示分配出去的 slub object；
* slub debug机制需要占用额外的内存，比如 Red zone，还有，为了追溯 slub object的分配和释放过程，需要额外的空间来存放 stack trace，即图中的 Tracking/Debugging；
* 图中的 FP是 Free Pointer的缩写，处于 free状态的 object是以链表的形式串在一起的，FP就是链表指针。

怎样开启slub debug

Slub本身包含了完整的debug功能，缺省是关闭的，需要的时候打开就行了。

开启slub debug有两种方式：

1. 【启动时开启】
   在kernel command line中加入以下参数：
   slub_debug=<Debug-Options>,<slab name>
   它会在重启时生效。
   注：
   slub_debug后面不跟任何参数表示打开所有的debug功能；
   slub_debug=<Debug-Options> 对所有的slab打开指定的debug options；
   slub_debug=<Debug-Options>,<slab name> 对指定的slab打开指定的debug options；
   slub_debug=,<slab name> 对指定的slab打开所有的debug options。
2. 【运行中开启】
   在运行系统上可以通过以下文件对指定的slab打开指定的debug option：
   /sys/kernel/slab/<slab name>/<debug_file>

Debug options如下：

debug option	sysfs debug file	功能
F	sanity_checks	激活完整性检查功能，在特定的环节比如free的时候增加各种条件判断，验证数据是否完好。
Z	red_zone	用于检测overrun。通过在slub object后面插入一块额外的红色区域（橄榄球术语），一旦进入就表示有错。
P	poison	用于检测use-after-free和use-uninitialised。给slub对象填充特征字符，比如在分配时填充0x5a，在释放时填充0x6b，根据特征字符是否被覆盖来检测是否出错。更多的poison字节定义参见： /lib/modules/$(uname -r)/build/include/linux/poison.h
U	store_user	在slub object后面添加一块额外的空间，记录调用alloc/free的stack trace
T	trace	在slub object alloc/free时，向系统日志中输出相关信息，包括stack trace

开启debug option会降低系统性能，所以尽量只开启必要的选项。

• 如果slab出现data corruption问题，可以考虑read_zone，poison，store_user，sanity_checks；
• 如果某个slab的大小持续疯涨，则可能是leak（内存泄露），可以开启trace，观察统计slab的alloc/free情况，寻找线索。
  对于内核内存泄漏问题，还有另一个工具可供选用，详见：用KMEMLEAK检测内核内存泄漏

在kernel commandline中开启slub debug与在运行系统上开启是有区别的。有些debug option不能在运行系统上开启，比如red_zone、store_user需要额外的存储空间来保存debug信息，如果不是从一开始就开启，那么以前分配出去的slub对象就没有debug数据区，会导致对齐问题，而且debug代码也很难分辨新老slub对象；再比如poison，如果不是从一开始就开启，那么以前分配出去的slub对象就没有填充特征字符，debug代码也辨别不了哪些slub对象是有填充的、哪些是没有填充的。所以，在运行系统上开启slub debug，如果指定的slab里面已经有了object，那么只能动态开启sanity_checks和trace，惟有当指定的slab还是空的，其它的debug option才可以动态开启。我们实际使用的时候，尽管去试好了，如果某个debug option不允许动态开启，命令就不会成功，比如：

 

1 2	# echo "1" > /sys/kernel/slab/task_struct/red_zone -bash: echo: write error: Device or resource busy

 

要进行slub debug，有一个重要特性不可不知，那就是slab merging。

Slab merging

很多slab的大小和参数是相似的，slub会把这些不同的slab合并到一起，好处是可以减少内存碎片，提高内存使用效率，这个称为slab merging（合并）。

怎么知道一个slab有没有发生合并呢？通过查看以下文件：
/sys/kernel/slab/<slab name>/aliases
aliases表示参与合并的slab的数量（自己除外），如果大于0就意味着发生了合并。

slabinfo工具（见下一节的介绍）可以具体列出哪些slab合并到了一起：

 

1 2 3 4 5 6 7 8

# slabinfo -a   :t-0000024   <- xfs_bmap_free_item fstrm_item scsi_data_buffer avtab_node fsnotify_event_holder :t-0000032   <- pte_list_desc xfs_log_item_desc dnotify_struct kmalloc-32 sd_ext_cdb xfs_mru_cache_elem inotify_event_private_data fanotify_response_event :t-0000040   <- khugepaged_mm_slot Acpi-Namespace dm_io :t-0000048   <- nsproxy ftrace_event_field ip_fib_alias Acpi-Parse shared_policy_node ksm_stable_node ksm_mm_slot fasync_cache :t-0000056   <- ip_fib_trie uhci_urb_priv ...

Slab merging会干扰debug，因为不同的slab合并到了一起，出了问题以后很难分辨是哪一个slab导致的。关闭slab merging的方法有两个：

• 在kernel command line中加入“slub_nomerge”；
• 开启slub debug之后，slab merging就会自动关闭。如果slub_debug指定了某个slab，那么只有指定的slab会关闭merging。
  注：最好是在启动时开启slub_debug，如果是在运行系统上通过sysfs开启slub debug，那么之前已经合并的那些slab仍然会保持合并状态。

slabinfo工具

随内核源程序提供了一个slabinfo工具，但是需要自己手工编译。源程序的位置是在源代码树下的 tools/vm/slabinfo.c，编译方法是：
$ gcc -o slabinfo tools/vm/slabinfo.c
或者进入 tools/vm 目录下直接执行make：
$ make slabinfo

slabinfo工具能做的事情见它的帮助信息：

 

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# slabinfo -h slabinfo 4/15/2011. (c) 2007 sgi/(c) 2011 Linux Foundation.   slabinfo [-ahnpvtsz] [-d debugopts] [slab-regexp] -a|--aliases           Show aliases -A|--activity          Most active slabs first -d<options>|--debug=<options> Set/Clear Debug options -D|--display-active    Switch line format to activity -e|--empty             Show empty slabs -f|--first-alias       Show first alias -h|--help              Show usage information -i|--inverted          Inverted list -l|--slabs             Show slabs -n|--numa              Show NUMA information -o|--ops                Show kmem_cache_ops -s|--shrink            Shrink slabs -r|--report             Detailed report on single slabs -S|--Size              Sort by size -t|--tracking          Show alloc/free information -T|--Totals            Show summary information -v|--validate          Validate slabs -z|--zero              Include empty slabs -1|--1ref              Single reference   Valid debug options (FZPUT may be combined) a / A          Switch on all debug options (=FZUP) -              Switch off all debug options f / F          Sanity Checks (SLAB_DEBUG_FREE) z / Z          Redzoning p / P          Poisoning u / U          Tracking t / T          Tracing

 

参考资料：

https://www.kernel.org/doc/Documentation/vm/slub.txt
https://www.kernel.org/doc/Documentation/ABI/testing/sysfs-kernel-slab
https://lwn.net/Articles/340267/
https://gitlab.eurecom.fr/oai/odroid-linux-3.10.y-rt/commit/4c13dd3b48fcb6fbe44f241eb11a057ecd1cba75
一个实例分析