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- 前言
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- 之前博主写过《Linux OOM Killer 计分模型源码拆解》,那一次是从内存压力的角度,看内核怎么决定谁该死
- 这次换个方向,来拆一个线上更阴间、更容易被甩锅给"业务代码"的故障——软中断雪崩
- 很多人看到CPU被打满、业务进程卡死、内核报soft lockup,第一反应是:是不是业务QPS太高了?
- 是不是业务代码里有死循环?
- 是不是该扩容了业务机器?
- 一看业务日志发现使用根本不高
- 拉倒吧,这锅大概率在内核自己身上
- 本文不聊top、mpstat、ethtool这些运维三板斧,也不给"调几个参数就没事"的玄学方案
- 直接从Linux 5.4 LTS源码出发
- 把软中断优先级、网络收包抢占、多核调度缺陷、小包内存损耗、软锁死判定这五条链路拆开看
- 弄明白百万小包场景下,内核是怎么把自己跑死的
- 源码基准锁定Linux 5.4 LTS
- 国内云厂商和政企生产环境大批量跑这个版本,溯源就按这个版本来
- 高版本差异会单独标出来,避免版本混战
- 软中断优先级:不是调度器决定的,是编译期写死的
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- Linux的软中断优先级是静态枚举、写死在源码里的,运行时没有任何动态调整机制
- 这不是设计上的疏忽,是架构层面的先天约束
- 换句话说,你想通过改个sysctl或者cgroup参数让NET_RX别那么嚣张?不存在的
- 这个优先级模型在Linux 5.4全子版本里完全一致,没有厂商会去改它
- 位置:include/linux/interrupt.h
/* * 软中断优先级枚举定义:数值越小,调度优先级越高 * 内核固定排序,运行时不可修改,决定全局中断抢占逻辑 * Linux 5.4 LTS 固定原生代码,无任何厂商自定义修改 */ enum { HI_SOFTIRQ=0, /* 最高优先级:紧急硬件下半部 */ TIMER_SOFTIRQ, /* 定时器时序调度 */ NET_TX_SOFTIRQ, /* 网络发包软中断 */ NET_RX_SOFTIRQ, /* 网络收包软中断(雪崩核心诱因) */ BLOCK_SOFTIRQ, /* 块设备IO软中断 */ IRQ_POLL_SOFTIRQ, /* IO轮询软中断 */ TASKLET_SOFTIRQ, /* 通用任务切片软中断 */ SCHED_SOFTIRQ, /* 进程调度/负载均衡软中断(优先级低于网络收包) */ HRTIMER_SOFTIRQ, /* 高精度定时器 */ RCU_SOFTIRQ, /* RCU回收(最低优先级) */ NR_SOFTIRQS /* 软中断类型总数 */ };- 官方溯源
- Linux 5.4 LTS稳定版源码:Linux 5.4 interrupt.h
- 版本差异:5.4 vs 6.x+
- 机制没动过
- 5.4、5.10、6.1、6.6这些主流版本,软中断优先级枚举顺序完全一致
- NET_RX_SOFTIRQ始终排在SCHED_SOFTIRQ前面,这意味着网络收包软中断永远可以压着进程调度软中断打
- 6.0+只是末尾加了个LOCAL_SOFTIRQ,不影响原有顺序,对雪崩机制没实质改变
- 源码直接告诉你的结论
- 从这一行代码就能得出一个非常关键、但很多人没意识到的结论:NET_RX_SOFTIRQ(3)的优先级严格高于SCHED_SOFTIRQ(7)
- 只要NET_RX软中断待处理标记被置位,进程调度软中断、用户态进程调度都会被往后拖
- 这不是负载高,这是"调度权被抢了"
- 业务饿死、进程卡死、R态不跑,根子就在这里
- net_rx_action:不是业务代码卡了,是内核在自循环
- 用户态业务饿死的本质就两条:
- 这节把5.4内核里这条雪崩链路拆清楚
- __do_softirq:关了 BH,就别想调度了
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- 文件路径:kernel/softirq.c
asmlinkage void __do_softirq(void) { unsigned long end = jiffies + MAX_SOFTIRQ_TIME; int max_restart = MAX_SOFTIRQ_RESTART; struct softirq_action *h; /* 锁定软中断上下文,彻底禁止进程调度切入 */ __local_bh_disable_ip(_RET_IP_, SOFTIRQ_LOCK_OFFSET); restart: /* 严格按优先级从高到低遍历执行软中断 */ h = softirq_vec; do { if (softirq_pending(smp_processor_id())) { h->action(h); softirq_pending_clear(smp_processor_id()); } h++; } while (h < softirq_vec + NR_SOFTIRQS); /* 核心雪崩机制:未超时则无限循环执行,不释放CPU */ if ((jiffies < end) && --max_restart) goto restart; __local_bh_enable_ip(_RET_IP_, SOFTIRQ_LOCK_OFFSET); }- 注意__local_bh_disable_ip这一行
- 它把bottom-half上下文锁了,进程调度器进不来
- 在__do_softirq执行期间,这个CPU就是软中断的私有领地
- net_rx_action:Ring Buffer 不清完,就不会停
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- 文件路径:net/core/dev.c
static void net_rx_action(struct softirq_action *h) { struct net_device *dev; int budget = netdev_budget; /* 持续收割Ring Buffer积压skb,耗尽budget为止 */ while (!list_empty(&poll_list) && budget > 0) { dev = list_first_entry(&poll_list, struct net_device, poll_list); if (!dev->poll(dev, &budget)) list_del_init(&dev->poll_list); } /* 关键雪崩闭环:残留报文未处理完毕,重新触发NET_RX软中断,无限抢占 */ if (!list_empty(&poll_list)) raise_softirq(NET_RX_SOFTIRQ); }- 看到结尾的raise_softirq(NET_RX_SOFTIRQ)了吗?这就是闭环
- 只要Ring Buffer里还有包没处理完,它就主动把自己再唤醒一次
- 百万小包场景下,包来得比处理快,poll_list永远不为空,NET_RX软中断就永远在跑
- 而它的优先级又比SCHED高,所以用户态进程拿不到时间片,业务线程全部R态卡死
- 官方溯源
- kernel/softirq.c(v5.4):Linux 5.4 softirq.c
- net/core/dev.c(v5.4):Linux 5.4 dev.c
- 版本差异:5.4 为什么更容易崩
- 5.4的致命短板在于:net_rx_action没有时间片退让机制
- MAX_SOFTIRQ_TIME默认值又不小,小包冲击下可以连续几十到几百毫秒独占CPU,调度器直接被锁死
- 6.0+主线加了NET_RX软中断时间片限流补丁,单次收包软中断会被强制打断让出CPU
- 这只能降低雪崩概率,没有改变优先级模型
- 极端百万小包攻击下,该崩还是崩
- 故障机制总结
- 这不是业务问题
- 这是内核调度模型里的结构性缺陷
- irqbalance:不是不想均衡,是高负载下根本跑不动
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- irqbalance失效、中断负载均衡滞后、高负载下无法自修复,在5.4里是原生结构性问题,不是配置问题
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- 很多人以为是irqbalance没配好,或者是亲和性脚本写得不够优雅
- 问题是,当某个核已经被NET_RX软中断占满的时候,irqbalance自己都没时间片跑,它拿什么去重新均衡?
- 中断亲和性绑定:只能被动改掩码
- 文件路径:kernel/irq/manage.c
int irq_set_affinity(unsigned int irq, const struct cpumask *mask) { struct irq_desc *desc = irq_to_desc(irq); unsigned long flags; raw_spin_lock_irqsave(&desc->lock, flags); /* 仅被动更新掩码,无实时流量感知、无突发负载预判 */ cpumask_copy(&desc->affinity, mask); raw_spin_unlock_irqrestore(&desc->lock, flags); return 0; }- 这函数就干一件事:把亲和性掩码复制过去
- 它不会感知当前流量,不会预判突发负载,更不会在高负载时主动抢救
- 负载统计:根本不区分上下文
- 文件路径:kernel/sched/loadavg.c
unsigned long cpu_load_read(int cpu) { /* 仅统计整体负载,彻底忽略软中断独占负载场景 */ return weighted_cpuload(cpu); }- 内核的负载统计只看整体负载,不看这个负载是用户态进程跑出来的,还是NET_RX软中断占出来的
- irqbalance拿到的数据本身就是失真的,它当然识别不了"CPU100% 是因为软中断在吃"这种场景
- 版本差异
- 全版本通病:5.4到6.6,内核负载统计都不区分上下文类型,irqbalance至今无法从内核层面根治这个问题
- 5.4额外更糟的一点是:动态中断亲和性更新周期更长(1 秒左右),6.x缩短到500ms
- 能缓解一点滞后,但遇到微秒级突发小包,该滞后还是滞后
- 缺陷结论
- "负载越高越无法均衡",这不是形容,是死循环
- SLUB:小包的内存开销被严重低估了
- 5.4的SLUB内存模型是小包雪崩里最容易被忽视的一环
- 很多人觉得"不就是收个包吗,能占多少内存",但实际上每个skb都要从SLUB里单独分配
- 百万小包就是百万次内存分配,锁竞争和碎片整理能把CPU再往上顶一层
- skb 分配:每包独立走 SLUB
- 文件路径:net/core/skbuff.c
static inline struct sk_buff *__alloc_skb(unsigned int size, gfp_t gfp_mask, int flags, int node) { struct sk_buff *skb; /* 小包无批量缓存,每包独立调用SLUB分配 */ skb = kmem_cache_alloc_node(skbuff_cache, gfp_mask, node); if (unlikely(!skb)) return NULL; skb_init(skb); return skb; }- SLUB 单对象分配:没有批量复用
- 文件路径:mm/slub.c
void *kmem_cache_alloc_node(struct kmem_cache *s, gfp_t gfpflags, int node) { struct slab *slab; void *object; /* 严格单对象分配,无小包批量复用、无预缓存 */ slab = get_slab(s, node); object = slab_alloc(s, slab, gfpflags, node); return object; }- 版本差异:5.4 的 β 损耗系数最大
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- 5.4:对64B这种极小报文没有任何批量合并和预分配缓存,百万小包能触发千万次级别的SLUB锁竞争
- β损耗系数最大,最容易触发雪崩
- 5.10+:内核引入了skb小包缓存池优化,SLUB调用次数大幅减少,β系数能降低30%~50%,雪崩阈值明显提高
- 6.x:SLUB细粒度锁拆分进一步优化,小包内存损耗继续下降
- 但优先级模型没变,极端流量下还是会锁死
- β 系数的来源
- 大包场景一次分配大内存,调用SLUB次数少
- 64B小包场景是百万次独立调用 kmem_cache_alloc_node,每次都要走SLUB的锁路径和可能的碎片整理
- 这个开销不是线性的,会直接放大软中断风暴的破坏力
- soft lockup:内核自己怎么判定自己卡死了
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- 当CPU被软中断长期霸占,watchdog会报soft lockup
- 5.4的判定逻辑和生产环境日志完全对得上
- watchdog 判定逻辑
- 文件路径:kernel/watchdog.c
static void watchdog_timer_fn(struct timer_list *t) { struct watchdog_data *wd_data = from_timer(wd_data, t, timer); unsigned long touch = wd_data->touch_time; /* 核心判定:20s无心跳=无调度、无上下文切换,触发软锁死 */ if (time_after(jiffies, touch + softlockup_thresh * HZ)) { pr_err("BUG: soft lockup - CPU#%d stuck for %lus!\n", smp_processor_id(), softlockup_thresh); dump_stack(); } }- 20 秒没有心跳,就认为这个CPU没有发生调度、没有上下文切换,触发soft lockup
- x86 内核栈只有 8K
- 文件路径:arch/x86/include/asm/thread_info.h
/* x86架构默认8K内核栈,固定不可扩容,软中断递归极易溢出 */ #define THREAD_SIZE_ORDER 1 #define THREAD_SIZE (PAGE_SIZE << THREAD_SIZE_ORDER)- 8K内核栈在软中断递归deep call下很容易溢出
- 这也是为什么有时候软中断雪崩不仅锁死CPU,还会直接触发内核panic或者stack overflow
- 版本差异
- 软锁死判定逻辑全版本通用:5.4到6.x,20 秒默认阈值、堆栈打印逻辑都没变
- 栈大小方面,6.x部分架构默认升级到16K,降低溢出概率,但解决不了软中断抢占导致的软锁死本身
- 怎么从堆栈区分"高负载"和"雪崩锁死"
- 良性 CPU 高负载:堆栈里能看到__schedule、task_tick_sched这些调度函数,说明还有上下文切换
- 软中断雪崩锁死:堆栈固化在net_rx_action、skb_consume、tcp_v4_rcv这些地方,看不到任何调度函数
- 这就是典型的NET_RX软中断把CPU吃死了
- 线上排查的时候,看到这种堆栈就不用再怀疑业务代码了,直接往软中断雪崩方向查
- 总结:这病能治吗?
- 1.根因是内核架构问题,不是bug
- 软中断静态优先级固化、NET_RX抢占SCHED、中断上下文独占CPU、net_rx_action自循环
- 这些在Linux所有主线版本里都是固有机制
- 它不是某个版本写坏了,是设计模型本身的瓶颈
- 2.5.4是线上雪崩最高发的版本
- 没有skb小包缓存、SLUB损耗高、irqbalance均衡滞后、没有软中断时间片退让,5.4在生产环境里最容易被百万小包打穿
- 3.高版本只是缓解,不是根治
- 5.10+/6.x的小包缓存、时间片退让、亲和性提速,确实能降低触发概率
- 但只要优先级模型不变,极端流量下该雪崩还是雪崩,该soft lockup还是soft lockup
- 4.全文溯源基准统一在Linux 5.4 LTS
- 所有源码、链路、模型、根因都以5.4为唯一基准,版本差异单独标注
- 这样生产环境排障、内核调优、技术复盘的时候,不会再被"这个版本是不是不一样"这种问题绕进去
- 5.这些系统默认就搭载Linux 5.4 LTS
- 5.4是超长维护LTS内核(官方维护到2025 年底),大量服务器、容器、国产系统、嵌入式设备出厂默认就用它
- 简单分几类:
- Ubuntu 系列(最主流)
- Ubuntu 20.04 LTS(Focal Fossa):全系列默认内核5.4.0-xxx-generic,服务器版、桌面版、云镜像清一色5.4
- 阿里云、腾讯云、华为云的Ubuntu 20.04镜像也统一这个内核
- 衍生版:Ubuntu Server、Kubuntu/Xfce/MATE 20.04、树莓派Ubuntu 20.04
- 云衍生:华为欧拉兼容版、阿里云原生Ubuntu 20.04镜像
- 轻量容器系统
- Alpine Linux 3.11:唯一默认5.4内核的Alpine版本,主要为了增强树莓派4支持
- 很多容器轻量化环境还在用
- Alpine 3.10是4.19,3.12跳到5.6,只有3.11锁在5.4
- 国产 Linux 桌面 / 服务器
- Deepin 20(深度操作系统 20):出厂标配双内核5.4 + 5.7,默认启动5.4 LTS
- 大量国产办公电脑预装的就是这个
- 统信 UOS 20 专业版 / 服务器版:早期20系列基于Deepin,默认5.4
- 新版虽然升到了5.10,但老机房存量机器里5.4还很多
- 部分麒麟V10早期补丁镜像也可选5.4内核
- 企业级 RHEL/SUSE / 云厂商
- CentOS Stream 8早期版本、Oracle Linux 8:兼容5.4内核,可选安装
- SUSE SLES 15 SP2:可选部署5.4 LTS内核,稳定业务专用
- AWS EC2、Azure:老一代虚拟机自定义镜像可选5.4
- 嵌入式 / 硬件专用
- 树莓派 OS 2020 年度版本:搭载5.4,主要适配树莓派4B
- 华为 Atlas NPU 配套系统:Ubuntu 20.04固定5.4内核,AI推理硬件强制要求5.4,高版本内核驱动不兼容
- 工业工控Linux、边缘网关系统:大量选5.4 LTS保长期稳定
- 补充几句
- Debian 10(Buster)默认4.19,Debian 11是5.10,没有默认5.4的版本
- Fedora滚动版最低起步5.8,不会自带5.4
- 所有发行版都可以手动装5.4内核,但上面列的是出厂默认自带的
- 5.4的优势:原生exFAT、内核锁定安全模式、BBR拥塞算法完善、老旧硬件兼容性极强
- 这也是很多企业生产环境至今还在大规模用的原因
- 快速查看当前内核版本:
uname -r- 如果你在线上遇到CPU被打满、业务R态卡死、内核报soft lockup,别急着扩容,也别急着优化业务
- 先看看堆栈里有没有net_rx_action,再看看系统是不是5.4因为这个所引发的问题
- 源码已经告诉你答案了
声明: 本文所有分析均基于Linux 5.4 LTS稳定版 内核原生源码,所引用的代码片段、机制解释及结论仅供学习参考与技术交流。内核版本迭代、架构差异或特定发行版的内核定制改造可能导致行为有所偏差。鉴于内核源码的复杂性与笔者水平有限,文中如有错误、疏漏或表述不当之处,欢迎通过评论或邮箱指正探讨,以期共同完善。请以您所用内核版本的官方源码为准。
1. 中断上下文绝对抢占进程上下文;
2.net_rx_action批量循环处理,不主动让出CPU。
1.__do_softirq执行期间BH被锁,进程调度切不进来;
2.net_rx_action发现poll_list没空,主动raise_softirq重新触发NET_RX;
3.SCHED_SOFTIRQ被持续压制,__schedule()跑不起来;
4.用户态业务进程R态卡死,系统看起来"CPU 很高但业务不跑"。
1. 内核没有软中断专属负载维度,irqbalance看不清真实负载;
2. 中断亲和性修改是被动周期更新,跟不上突发流量;
3. 高负载下irqbalance自己都拿不到时间片,越忙越均衡不了
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