周會(huì)娜，何 鑫，涂貴文，羅 實(shí)，梁鴻斌

（成都三零瑞通移動(dòng)通信有限公司，四川 成都 610041）

0 引言

近幾年，隨著國內(nèi)信息安全事件頻繁發(fā)生，加之相關(guān)國家對關(guān)鍵技術(shù)的封鎖，國家倡導(dǎo)并推動(dòng)核心技術(shù)實(shí)現(xiàn)自主可控。在這樣的背景下，國產(chǎn)CPU的發(fā)展和應(yīng)用得到了國家的高度重視[1-2]。目前，國產(chǎn)CPU 正處于快速追趕的關(guān)鍵階段，初步構(gòu)建起了完整的產(chǎn)品線和上下游全產(chǎn)業(yè)鏈生態(tài)體系。在國家大力推進(jìn)國產(chǎn)化替代工程的環(huán)境下，諸多項(xiàng)目開始從非國產(chǎn)化平臺(tái)移植到國產(chǎn)化平臺(tái)，期間不可避免出現(xiàn)了一些問題。本文結(jié)合某具體項(xiàng)目，針對一個(gè)國產(chǎn)CPU 弱一致性存儲(chǔ)模型引起的進(jìn)程異常退出問題進(jìn)行了深入分析，并給出了解決措施。

1 故障概述

某國產(chǎn)服務(wù)器設(shè)備在穩(wěn)定運(yùn)行1 年后出現(xiàn)應(yīng)用軟件進(jìn)程異常退出的故障，導(dǎo)致系統(tǒng)功能無法正常使用。

該設(shè)備為全國產(chǎn)化設(shè)備，基礎(chǔ)設(shè)施平臺(tái)中CPU、操作系統(tǒng)以及數(shù)據(jù)庫等均選取國內(nèi)廠家的型號(hào)產(chǎn)品。自主研發(fā)的應(yīng)用軟件在原非國產(chǎn)化平臺(tái)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，在從非國產(chǎn)化平臺(tái)移植到國產(chǎn)平臺(tái)時(shí)，上述設(shè)備出現(xiàn)故障。該設(shè)備在使用時(shí)需要做到“多任務(wù)，高并發(fā)，高可靠”，需要同在同一時(shí)間處理多任務(wù)、并發(fā)消息，具有高吞吐量和低延時(shí)，且7×24 h 無故障運(yùn)行。

2 故障分析

故障發(fā)生后，遠(yuǎn)程登錄設(shè)備，查看到數(shù)據(jù)庫和操作系統(tǒng)運(yùn)行正常，且在進(jìn)程退出的同時(shí)生成了系統(tǒng)內(nèi)核文件（coredump）。通過gdb 工具將進(jìn)程退出時(shí)運(yùn)行狀態(tài)翻譯為調(diào)用棧，可以看出進(jìn)程退出時(shí)處理線程使用關(guān)鍵字delete 來釋放內(nèi)存，最終調(diào)用free 時(shí)發(fā)生異常導(dǎo)致進(jìn)程退出（abort）。

通過Linux 系統(tǒng)編程手冊[3]中free()函數(shù)的描述可以看出，釋放一塊未被分配的內(nèi)存會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)工作異常。通過上文對故障現(xiàn)場數(shù)據(jù)的分析可以判定，故障現(xiàn)場的進(jìn)程退出是由于釋放一塊未被分配的內(nèi)存造成的，即定位問題的關(guān)鍵是找到“釋放一塊未被分配內(nèi)存”的原因。結(jié)合代碼實(shí)現(xiàn)，整理故障分析樹如圖1 所示。

圖1 故障分析樹

故障出現(xiàn)時(shí)釋放的內(nèi)存是用于存放業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的，相關(guān)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的流轉(zhuǎn)軌跡如圖2 所示。當(dāng)發(fā)送線程接收完來源數(shù)據(jù)后，申請一塊內(nèi)存來構(gòu)造業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，然后通過消息隊(duì)列發(fā)送到處理線程；處理線程根據(jù)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)解析業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)并進(jìn)行分類處理，處理完成后釋放業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)對應(yīng)的內(nèi)存；當(dāng)消息隊(duì)列滿時(shí)，發(fā)送線程需要釋放業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的內(nèi)存。

對于業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的流轉(zhuǎn)過程和代碼實(shí)現(xiàn)，以下幾個(gè)環(huán)節(jié)構(gòu)成問題分析的完整路徑：業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)對應(yīng)內(nèi)存的申請、釋放過程；業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)對應(yīng)的內(nèi)存指針的使用過程、業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)對應(yīng)的指針從內(nèi)存申請成功到被釋放之間是否被改動(dòng)過，由此得出如圖1 所示的故障分析樹。針對該故障分析樹具體排查如下。

2.1 內(nèi)存指針使用錯(cuò)誤（M1）

通過指針顯示使用內(nèi)存時(shí)，如果未能正確處理，往往會(huì)導(dǎo)致指針指向一塊未被分配的內(nèi)存，而釋放這個(gè)指針會(huì)導(dǎo)致當(dāng)前問題的出現(xiàn)。未能正確處理有很多表現(xiàn)形式，常用的且與本項(xiàng)目相關(guān)的幾點(diǎn)包括內(nèi)存申請失敗的處理和直接使用指針時(shí)運(yùn)算錯(cuò)誤，導(dǎo)致使用未被分配的內(nèi)存，詳見X1、X2。

2.1.1 申請內(nèi)存失?。╔1）

從業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)軌跡圖（圖2）可以看到，在構(gòu)造業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)前有申請內(nèi)存的操作。如果申請內(nèi)存失敗，同時(shí)未做好失敗處理，可能導(dǎo)致非法使用內(nèi)存，從而釋放未被分配的內(nèi)存。此時(shí)，可以通過代碼走讀的方式遍歷所有申請內(nèi)存的位置，查看申請內(nèi)存失敗時(shí)是否有非法使用內(nèi)存的情況。該項(xiàng)目未發(fā)現(xiàn)申請內(nèi)存失敗時(shí)有非法使用內(nèi)存的情況。

2.1.2 指針偏移計(jì)算錯(cuò)誤（X2）

在規(guī)劃編制過程中，無論是否開展規(guī)劃水資源論證，水資源都是規(guī)劃無法回避的問題。為避免脫離論證對象，規(guī)劃水資源論證的介入至少要在規(guī)劃方案 （包括推薦方案和替代方案）形成之后才能進(jìn)行。在規(guī)劃方案形成階段介入，由于不確定性因素較多，往往只能定性評價(jià)，很難作出定量估算。在規(guī)劃方案形成和優(yōu)化階段介入，適合于綜合規(guī)劃和專項(xiàng)規(guī)劃中的指導(dǎo)性規(guī)劃；在規(guī)劃編制草案形成之后介入，適合于專項(xiàng)規(guī)劃，此時(shí)水資源論證的對象已經(jīng)明確，可以對水資源配置、水資源利用作出定量分析和比選，通過規(guī)劃水資源論證發(fā)現(xiàn)規(guī)劃中存在的問題，提出進(jìn)一步調(diào)整和完善規(guī)劃的意見和建議。

從業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)軌跡圖（圖2）可以看出，有多個(gè)地方訪問內(nèi)存。如果通過指針運(yùn)算來直接訪問內(nèi)存，在運(yùn)算出錯(cuò)時(shí)會(huì)導(dǎo)致非法使用內(nèi)存。此時(shí)，可以通過靜態(tài)代碼檢查工具（如Klockwork8）對程序代碼進(jìn)行掃描或?qū)Υa進(jìn)行人工走查，著重檢查指針偏移量的情況、計(jì)算的準(zhǔn)確性、字節(jié)對齊以及數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)定義的一致性等，查看是否存在問題。該項(xiàng)目未發(fā)現(xiàn)上述問題。所以可以排除X2。

2.2 內(nèi)存重復(fù)釋放（X3）

內(nèi)存申請、釋放過程中出現(xiàn)重復(fù)釋放，導(dǎo)致再次被釋放的內(nèi)存是未被分配的內(nèi)存。根據(jù)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)軌跡圖（圖2）可見，可能重復(fù)釋放內(nèi)存的情況是發(fā)送線程將業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)送入隊(duì)列時(shí)消息隊(duì)列已滿，拒絕將業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)存入隊(duì)列，發(fā)送線程將該業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)釋放，此時(shí)消息隊(duì)列仍將該業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)復(fù)制了一份到處理線程，從而引起處理線程重復(fù)釋放內(nèi)存。針對上述懷疑，可以編寫一組測試程序來確認(rèn)消息隊(duì)列滿時(shí)是否將已經(jīng)拒絕的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)復(fù)制一份到處理線程。結(jié)果顯示：在消息隊(duì)列滿的情況下，不會(huì)有復(fù)制的數(shù)據(jù)送給處理線程，故排除處理線程重復(fù)釋放業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)內(nèi)存的情況。

2.3 內(nèi)存指針被修改（M2）

業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)對應(yīng)內(nèi)存的指針在系統(tǒng)運(yùn)行過程中被修改，根據(jù)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)軌跡圖（圖2）需要分3個(gè)階段排查，分別為進(jìn)入消息隊(duì)列前（X4）、在消息隊(duì)列中（X5）和出消息隊(duì)列后（X6）。

2.3.1 消息隊(duì)列前被修改（X4）

如果業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的內(nèi)存指針在進(jìn)入消息隊(duì)列前被修改，那么修改后的指針很可能指向一塊未被分配的內(nèi)存。為了確認(rèn)是否存在該問題，在原程序中添加調(diào)試代碼來跟蹤業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)內(nèi)存指針的變化情況。調(diào)試代碼分別添加在申請內(nèi)存成功處和消息對列入口處。在測試環(huán)境中進(jìn)行問題復(fù)現(xiàn)，當(dāng)問題出現(xiàn)時(shí)對比兩處的指針。結(jié)果顯示，指針未被修改，如圖3 所示，排除X4。

2.3.2 消息隊(duì)列中被修改（X5）

設(shè)備軟件采用自己構(gòu)建的消息隊(duì)列模塊實(shí)現(xiàn)線程間通信。該模塊具有高吞吐量和低延時(shí)的特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于通信系統(tǒng)的信令控制、媒體轉(zhuǎn)發(fā)以及業(yè)務(wù)調(diào)度等軟件中。圖4 描述了該消息隊(duì)列中關(guān)于內(nèi)存及指針的處理過程，即業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的指針被發(fā)送線程傳入消息隊(duì)列，消息隊(duì)列會(huì)把這個(gè)指針存儲(chǔ)到指針數(shù)組。當(dāng)處理線程需要獲取業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)時(shí)，消息隊(duì)列會(huì)把該業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)指針返回給處理線程。

在消息隊(duì)列入口、寫指針數(shù)組以及消息隊(duì)列出口3 處增加調(diào)試代碼，記錄業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)指針.問題出現(xiàn)時(shí)對比3 處記錄，以判斷指針是否被修改。

圖3 申請內(nèi)存與放入隊(duì)列前對比

實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：消息隊(duì)列入口處與寫指針數(shù)組處的指針相同；消息隊(duì)列出口處的指針與消息隊(duì)列入口處不同。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，問題定位需要聚焦在消息隊(duì)列出口處讀到的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)指針與寫指針數(shù)組時(shí)不同的原因。為了分析指針在隊(duì)列的傳輸中被改變的原因，在原代碼中增加調(diào)試代碼，當(dāng)問題出現(xiàn)時(shí)觀測到的情況如圖5 所示。

圖4 消息隊(duì)列內(nèi)存及指針處理過程

圖5 消息隊(duì)列調(diào)試處理過程

②為了確認(rèn)Data1 數(shù)據(jù)是否寫入指針I(yè)ndex62處，寫線程在數(shù)據(jù)寫入完成后，讀取指針I(yè)ndex62處的數(shù)據(jù)（標(biāo)記為Data2），發(fā)現(xiàn)Data2=Data1，確認(rèn)Data1 數(shù)據(jù)已經(jīng)寫入指針I(yè)ndex62 處。此時(shí)的時(shí)間點(diǎn)標(biāo)記為T2。

③讀線程再次從消息隊(duì)列中讀取指針I(yè)ndex62處數(shù)據(jù)（標(biāo)記為Data4），發(fā)現(xiàn)Data4=Data1。此時(shí)的時(shí)間點(diǎn)標(biāo)記為T3。

綜上所述，讀到的錯(cuò)誤指針是隊(duì)列中的“舊”值。再次讀取該地址可以讀到正確指針，證明指針讀取錯(cuò)誤是由內(nèi)存刷新延遲造成的。

經(jīng)過與CPU 廠家技術(shù)人員共同分析，本項(xiàng)目中的內(nèi)存刷新延遲可能與國產(chǎn)CPU 架構(gòu)弱一致性存儲(chǔ)模型[4]有關(guān)，同時(shí)給出了驗(yàn)證方案，即增加內(nèi)存屏障[5]，對比使用前后內(nèi)存刷新延遲的情況。內(nèi)存屏障用于保證操作有序，屏障之前的操作一定會(huì)先于內(nèi)存屏障之后的操作。

根據(jù)原程序的架構(gòu)擬制了驗(yàn)證程序，功能包括：3 個(gè)寫線程向隊(duì)列中寫入指針，寫入時(shí)打印指針地址；1 個(gè)線程從隊(duì)列中讀取指針，讀取到指針后打印指針地址。在該程序代碼中加入了內(nèi)存屏障，通過對比打開和關(guān)閉內(nèi)存屏障的結(jié)果，進(jìn)行問題原因驗(yàn)證。

①開啟內(nèi)存屏障，未出現(xiàn)內(nèi)存刷新延遲，程序運(yùn)行正常；

②關(guān)閉內(nèi)存屏障，出現(xiàn)內(nèi)存刷新延遲。

據(jù)此證明內(nèi)存刷新延遲是由弱一致性存儲(chǔ)模型造成的。

2.3.3 消息隊(duì)列后被修改（X6）

如果業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的內(nèi)存指針在出消息隊(duì)列后被修改，修改后的指針很可能指向一塊未被分配的內(nèi)存。為了確認(rèn)指針是否被修改，可以在原程序中添加調(diào)試代碼來跟蹤業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)內(nèi)存指針的變化情況。在消息對列出口處和釋放內(nèi)存前記錄內(nèi)存指針，對比觀測結(jié)果，兩處指針相同，指針在出隊(duì)列后未被修改，排除X6。

2.4 故障定位結(jié)果

通過以上故障樹分析和實(shí)驗(yàn)結(jié)果得知，故障的根本原因是該國產(chǎn)CPU 采用的是弱一致性存儲(chǔ)模型，在與其適配過程中應(yīng)用軟件未做內(nèi)存屏障，引起應(yīng)用軟件讀到錯(cuò)誤指針，致使一塊未被分配的內(nèi)存被釋放而應(yīng)用軟件進(jìn)程退出故障。

3 機(jī)理分析

消息隊(duì)列模塊廣泛應(yīng)用于通信系統(tǒng)的信令控制、媒體轉(zhuǎn)發(fā)以及業(yè)務(wù)調(diào)度等軟件中，在x86、ARM 和PowerPC 等架構(gòu)處理器上穩(wěn)定運(yùn)行多年，最大特點(diǎn)是高吞吐量和低延時(shí)。為了實(shí)現(xiàn)上述特點(diǎn)，在數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、指針數(shù)組管理和并發(fā)處理上做了很多優(yōu)化，如消息隊(duì)列的讀寫同步通過指針數(shù)組的計(jì)數(shù)變量來實(shí)現(xiàn)，可以極大地減少系統(tǒng)開銷。但是，這個(gè)優(yōu)化在多核系統(tǒng)中對緩存的一致性有很大挑戰(zhàn)[6]。

本項(xiàng)目使用的國產(chǎn)CPU 芯片有4 個(gè)核，每個(gè)核包含獨(dú)有的指令緩存（I-Cache）、一級(jí)緩存（D-Cache）和二級(jí)緩存（V-Cache），4 個(gè)核之間通過交叉互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)與三級(jí)緩存（S-Cache）相連，進(jìn)而再通過另一個(gè)交叉互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)與內(nèi)存相連。該國產(chǎn)CPU 采用GS464E 處理器核，實(shí)現(xiàn)的是弱一致性存儲(chǔ)模型。

該國產(chǎn)CPU 對弱一致性存儲(chǔ)模型的描述為“弱一致性存儲(chǔ)模型，即多條不相關(guān)的加載指令或存儲(chǔ)指令的返回結(jié)果的到達(dá)的先后次序跟處理器內(nèi)部數(shù)據(jù)通路的暢通性有關(guān)系，不一定按照發(fā)出的次序依次返回，這不影響訪存操作的正確性。如果程序具有顯式的因果關(guān)系，弱序一致性一定會(huì)尊重這種序關(guān)系，否則亂序有可能會(huì)打破原有的程序邏輯，就需要使用屏障來抑制亂序，以維持程序所期望的邏輯”。由此可知，弱一致性的影響與處理器內(nèi)部數(shù)據(jù)通路的暢通性有關(guān)。在CPU 內(nèi)部數(shù)據(jù)通路繁忙時(shí)，會(huì)概率性地出現(xiàn)無顯式因果關(guān)系的代碼被亂序執(zhí)行。

根據(jù)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)軌跡圖（圖2），結(jié)合原程序中的相關(guān)代碼，在故障發(fā)生時(shí)，弱一致性存儲(chǔ)模型在多核系統(tǒng)中的讀寫行為如圖6 左側(cè)所示。

應(yīng)用程序軟件寫線程利用Fifo[NextIn]=A 將業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)指針（A）存入消息隊(duì)列，然后利用NextIn=(NextIn+1)通知讀線程取出業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)指針。在CPU內(nèi)部數(shù)據(jù)通路繁忙時(shí)，弱一致性會(huì)概率性導(dǎo)致如下情況：讀線程先讀到已經(jīng)NextIn=(NextIn+1)的數(shù)據(jù)，再通過Fifo[NextOut]讀取業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)指針（A）的數(shù)據(jù)，此時(shí)數(shù)據(jù)A 還未完成存儲(chǔ)，當(dāng)前Fifo[NextOut]中的值還是上一輪存儲(chǔ)的“舊數(shù)據(jù)”。這個(gè)舊數(shù)據(jù)指向的是一塊未被分配的內(nèi)存，如果被處理線程釋放會(huì)引起“釋放一塊未被分配的內(nèi)存”錯(cuò)誤。

內(nèi)存屏障用于保證操作有序，屏障之前的操作一定會(huì)先于內(nèi)存屏障之后的操作。大多數(shù)現(xiàn)代計(jì)算機(jī)為了提高性能而采取亂序執(zhí)行，使得內(nèi)存屏障成為必須。工程實(shí)現(xiàn)上，它經(jīng)常應(yīng)用于對存儲(chǔ)時(shí)序有嚴(yán)格要求的場景。圖6 右側(cè)結(jié)合原程序中的相關(guān)代碼描述了加入內(nèi)存屏障后弱一致性存儲(chǔ)模型在多核系統(tǒng)中的讀寫行為。

圖6 弱一致性存儲(chǔ)模型在多核系統(tǒng)中的讀寫行為和加入內(nèi)存屏障后的讀寫行為

內(nèi)存屏障會(huì)保證寫線程將業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)指針存入消息隊(duì)列指令（Fifo[NextIn]=A）先于通知讀線程指令（NextIn=(NextIn+1)）執(zhí)行，從而保證讀線程能獲取到正確的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)指針進(jìn)行處理。

4 解決措施

在原應(yīng)用程序中增加內(nèi)存屏障，針對整改后的應(yīng)用軟件版本，采用故障復(fù)現(xiàn)時(shí)同樣的測試環(huán)境、測試數(shù)據(jù)和測試方法進(jìn)行驗(yàn)證。驗(yàn)證包括“驗(yàn)證測試”和“極限測試”兩部分。其中，“驗(yàn)證測試”的目的是驗(yàn)證在設(shè)計(jì)指標(biāo)下程序是否穩(wěn)定運(yùn)行；“極限測試”的目的是驗(yàn)證在超過軟件處理能力的條件下程序是否穩(wěn)定運(yùn)行。

通過實(shí)測驗(yàn)證，修改措施有效，設(shè)備滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)要求，在超過軟件處理能力時(shí)設(shè)備可以正常運(yùn)行，丟棄了處理不過來的數(shù)據(jù)。

5 結(jié)語

本文對某項(xiàng)目在國產(chǎn)化替代移植過程中遇到的典型故障“進(jìn)程異常退出”，采用故障樹分析法進(jìn)行問題分析，最終定位故障的根本原因是國產(chǎn)CPU采用的是弱一致性存儲(chǔ)模型，在與其適配過程中應(yīng)用軟件未做內(nèi)存屏障，引起應(yīng)用軟件讀到錯(cuò)誤指針，致使一塊未被分配的內(nèi)存被釋放，導(dǎo)致應(yīng)用軟件進(jìn)程退出。文章給出了添加內(nèi)存屏障的解決方法，經(jīng)實(shí)測驗(yàn)證，解決措施有效，可以為解決同類問題提供參考。