一例virtio_blk设备中断占用分析
背景：这个是在客户的centos8.4的环境上复现的，dpu是目前很多
云服务器上的网卡标配了，在云豹的dpu产品测试中，dpu实现的virtio_blk
设备在申请中断时报错，在排查这个错误的过程中，觉得某些部分还比较有
趣，故记录之。本身涉及的背景知识有：irq,msi,irq_domain,
affinity，virtio_blk，irqbalance
下面列一下我们是怎么排查并解决这个问题的。
一、故障现象
内核团队接到测试组测试客户前端内核抛栈：
[25338.485128] virtio-pci 0000:b3:00.0: virtio_pci: leaving for legacy driver
[25338.496174] genirq: Flags mismatch irq 0. 00000080 (virtio418) vs. 00015a00 (timer)
[25338.503822] CPU: 20 PID: 5431 Comm: kworker/20:0 Kdump: loaded Tainted: G OE --------- - - 4.18.0-305.30.1.jmnd2.el8.x86_64 #1
[25338.516403] Hardware name: Inspur NF5280M5/YZMB-00882-10E, BIOS 4.1.21 08/25/2021
[25338.523881] Workqueue: events work_for_cpu_fn
[25338.528235] Call Trace:
[25338.530687] dump_stack+0x5c/0x80
[25338.534000] __setup_irq.cold.53+0x7c/0xd3
[25338.538098] request_threaded_irq+0xf5/0x160
[25338.542371] vp_find_vqs+0xc7/0x190
[25338.545866] init_vq+0x17c/0x2e0 [virtio_blk]
[25338.550223] ? ncpus_cmp_func+0x10/0x10
[25338.554061] virtblk_probe+0xe6/0x8a0 [virtio_blk]
[25338.558846] virtio_dev_probe+0x158/0x1f0
[25338.562861] really_probe+0x255/0x4a0
[25338.566524] ? __driver_attach_async_helper+0x90/0x90
[25338.571567] driver_probe_device+0x49/0xc0
[25338.575660] bus_for_each_drv+0x79/0xc0
[25338.579499] __device_attach+0xdc/0x160
[25338.583337] bus_probe_device+0x9d/0xb0
[25338.587167] device_add+0x418/0x780
[25338.590654] register_virtio_device+0x9e/0xe0
[25338.595011] virtio_pci_probe+0xb3/0x140
[25338.598941] local_pci_probe+0x41/0x90
[25338.602689] work_for_cpu_fn+0x16/0x20
[25338.606443] process_one_work+0x1a7/0x360
[25338.610456] ? create_worker+0x1a0/0x1a0
[25338.614381] worker_thread+0x1cf/0x390
[25338.618132] ? create_worker+0x1a0/0x1a0
[25338.622051] kthread+0x116/0x130
[25338.625283] ? kthread_flush_work_fn+0x10/0x10
[25338.629731] ret_from_fork+0x1f/0x40
[25338.633395] virtio_blk: probe of virtio418 failed with error -16
从堆栈看，是某个virtio_blk设备在probe的时候报错，错误码为-16。
二、故障现象分析
从堆栈信息看：
1、virtio418是一个virtio_blk设备，在probe过程中调用 __setup_irq 返回了-16。
2、[25338.496174] genirq: Flags mismatch irq 0. 00000080 (virtio418) vs. 00015a00 (timer)，说明我们的virtio_blk
设备去申请了0号中断，由于0号中断被timer占用，irq子系统在比较flags时发现不符合，则打印这行。
具体代码为：
static int
__setup_irq(unsigned int irq, struct irq_desc *desc, struct irqaction *new)
{
......
mismatch:
if (!(new->flags & IRQF_PROBE_SHARED)) {
pr_err("Flags mismatch irq %d. %08x (%s) vs. %08x (%s)\n",
irq, new->flags, new->name, old->flags, old->name);
......
ret = -EBUSY;
......
return ret;
}
至于为什么virtio_blk会去申请0号中断，因为我们实现virtio_blk后端设备的时候，并没有支持intx，即virtio_pci类虚拟的pci_dev设备的irq值为0，本文先不管这个。
从堆栈看，virtio 申请中断是走了vp_find_vqs_intx流程，
crash> dis -l vp_find_vqs+0xc7
/usr/src/debug/linux/drivers/virtio/virtio_pci_common.c: 369---行号为369
356 static int vp_find_vqs_intx(struct virtio_device *vdev, unsigned nvqs,
357 struct virtqueue *vqs[], vq_callback_t *callbacks[],
358 const char * const names[], const bool *ctx)
359 {
......
366
367 err = request_irq(vp_dev->pci_dev->irq, vp_interrupt, IRQF_SHARED,
368 dev_name(&vdev->dev), vp_dev);
369 if (err)----压栈的返回地址
......
我们dpu卡实现的virtio设备，都是使能msix的，按照代码流程,应该是先尝试msix，既然能走到 vp_find_vqs_intx 流程，说明 vp_find_vqs_msix失败了，而且按照如下代码：
395 int vp_find_vqs(struct virtio_device *vdev, unsigned nvqs,
396 struct virtqueue *vqs[], vq_callback_t *callbacks[],
397 const char * const names[], const bool *ctx,
398 struct irq_affinity *desc)
399 {
400 int err;
401
402 /* Try MSI-X with one vector per queue. */
403 err = vp_find_vqs_msix(vdev, nvqs, vqs, callbacks, names, true, ctx, desc);//caq:先尝试单vqueue单中断号
404 if (!err)
405 return 0;
406 /* Fallback: MSI-X with one vector for config, one shared for queues. */
407 err = vp_find_vqs_msix(vdev, nvqs, vqs, callbacks, names, false, ctx, desc);//caq:尝试多个vq共享一个中断号
408 if (!err)
409 return 0;
410 /* Finally fall back to regular interrupts. */
411 return vp_find_vqs_intx(vdev, nvqs, vqs, callbacks, names, ctx);//caq:最后退化成intx模式
412 }
说明vp_find_vqs_msix 失败了两次。第一次是 单vqueue单中断号的非共享方式，第二次是多个vq共用一个中断的方式。
通过打点发现，失败两次的原因是 __irq_domain_activate_irq 返回了-28
__irq_domain_activate_irq return=-28
0xffffffff8fb52f70 : __irq_domain_activate_irq+0x0/0x80 [kernel]
0xffffffff8fb54bc5 : irq_domain_activate_irq+0x25/0x40 [kernel]
0xffffffff8fb56bfe : msi_domain_alloc_irqs+0x15e/0x2f0 [kernel]
0xffffffff8fa5e5e4 : native_setup_msi_irqs+0x54/0x90 [kernel]
0xffffffff8feef69f : __pci_enable_msix_range+0x3df/0x5e0 [kernel]
0xffffffff8feef96b : pci_alloc_irq_vectors_affinity+0xbb/0x130 [kernel]
0xffffffff8ff7472b : vp_find_vqs_msix+0x1fb/0x510 [kernel]
0xffffffff8ff74aad : vp_find_vqs+0x6d/0x190 [kernel]
查看具体的代码：
static int __irq_domain_activate_irq(struct irq_data *irqd, bool reserve)
{
int ret = 0;
if (irqd && irqd->domain) {//caq:均不为NULL
struct irq_domain *domain = irqd->domain;
if (irqd->parent_data)
ret = __irq_domain_activate_irq(irqd->parent_data,
reserve);//caq:递归，将父domain的对应irq都active一下
if (!ret && domain->ops->activate) {
ret = domain->ops->activate(domain, irqd, reserve);//caq:parent 执行完activate 然后再儿子辈执行。
/* Rollback in case of error */
if (ret && irqd->parent_data)//caq:异常则回退
__irq_domain_deactivate_irq(irqd->parent_data);
}
}
return ret;
}
由于客户 host kernel开启了 CONFIG_IRQ_DOMAIN_HIERARCHY，根据irq_domain 级别 ，该系统的irq_domain 级联如下：
不过上图是arm常见的，盗用arm图，本x86系统类似，irq_domain级别具体跟踪如下：
crash> irq_domain.name,parent 0xffff9bff87d4dec0
name = 0xffff9bff87c1fd60 "INTEL-IR-MSI-1-2"
parent = 0xffff9bff87400000
crash> irq_domain.name,parent 0xffff9bff87400000
name = 0xffff9bff87c24300 "INTEL-IR-1"
parent = 0xffff9bff87c6c900
crash> irq_domain.name,parent 0xffff9bff87c6c900
name = 0xffff9bff87c3ecd0 "VECTOR"-----------最高级的
parent = 0x0---所以parent为空
根据返回-28，根据最高级的irq_domain定位到 调用链为：
//caq:类比于 dma_domain_ops，在x86内是最高级的irq_domain了，因为他的domain parent为NULL
static const struct irq_domain_ops x86_vector_domain_ops = {//caq:x86针对acpi实现的irq_domain_ops
.alloc = x86_vector_alloc_irqs,//caq:分配中断
.free = x86_vector_free_irqs,
.activate = x86_vector_activate,//caq:activate实现
.deactivate = x86_vector_deactivate,
#ifdef CONFIG_GENERIC_IRQ_DEBUGFS
.debug_show = x86_vector_debug_show,
#endif
};
调用链：
x86_vector_activate-->activate_managed-->assign_managed_vector-->irq_matrix_alloc_managed
查看 代码如下：
int irq_matrix_alloc_managed(struct irq_matrix *m, const struct cpumask *msk,
unsigned int *mapped_cpu)
{//caq:managed irq 分配
unsigned int bit, cpu, end = m->alloc_end;
struct cpumap *cm;
if (cpumask_empty(msk))
return -EINVAL;
cpu = matrix_find_best_cpu_managed(m, msk);//caq:找最合适的cpu
if (cpu == UINT_MAX)
return -ENOSPC;//caq:说明没找到
......
}
由于没有开启 CONFIG_GENERIC_IRQ_DEBUGFS，所以没办法直接看到 vector_matrix 具体的值，
借助crash工具查看：
crash> p *vector_matrix
$82 = {
matrix_bits = 256,
alloc_start = 32,
alloc_end = 236,
alloc_size = 204,
global_available = 0,//caq:只剩下了这么多个irq
global_reserved = 151,
systembits_inalloc = 3,
total_allocated = 1922,//caq:只分配了这么多个irq
online_maps = 80,
maps = 0x2ff20,
scratch_map = {18446744069952503807, 18446744073709551615, 18446744073709551615, 18446735277616529407, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0},
system_map = {1125904739729407, 0, 1, 18446726481523507200, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0}
}
一个疑问涌上心头，为什么总共才分配了1922 个中断，全局的global_available就为0了呢？
然后继续打点，发现virtio_blk设备的vq申请中断时，走的是 apicd->is_managed 流程，而同属于virtio协议的virtio_net设备却不是。
而走managed流程，也就是申请中断时，带有了RQD_AFFINITY_MANAGED：
static int
assign_irq_vector_policy(struct irq_data *irqd, struct irq_alloc_info *info)
{
if (irqd_affinity_is_managed(irqd))//caq:如果是 managed 的irq,也就是irq_data中有 IRQD_AFFINITY_MANAGED 标记
return reserve_managed_vector(irqd);
我们回过来查看vector alloc时的调用链：
x86_vector_alloc_irqs-->assign_irq_vector_policy-->reserve_managed_vector-->irq_matrix_reserve_managed
对一个两个队列的virtio_blk申请中断时，打点发现如下：
m->global_available=15296
0xffffffff87158300 : irq_matrix_reserve_managed+0x0/0x130 [kernel]---从15296减少到15256
m->global_available=15256
call vdev=0xffff8b781ce17000,index=0,callback=0xffffffffc0448000,ctx=0,msix_vec=1----------容量减少了40
由于已经缩小到是因为virtio_blk设备的中断申请流程，使用热插拔确认一下：
118: 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 53 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 IR-PCI-MSI 94371841-edge virtio3-req.0
119: 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 49 0 0 0 IR-PCI-MSI 94371842-edge virtio3-req.1
热拔前：
crash> p *vector_matrix
$2 = {
matrix_bits = 256,
alloc_start = 32,
alloc_end = 236,
alloc_size = 204,
global_available = 15215,
global_reserved = 150,
systembits_inalloc = 3,
total_allocated = 553,
online_maps = 80,
maps = 0x2ff20,
scratch_map = {1179746449752063, 0, 1, 18446726481523507200, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0},
system_map = {1125904739729407, 0, 1, 18446726481523507200, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0}
}
热拔后：
crash> p *vector_matrix
$3 = {
matrix_bits = 256,
alloc_start = 32,
alloc_end = 236,
alloc_size = 204,
global_available = 15296,---增长了81个，一个config中断+两个分别为40的req中断，此时req.0和req.1是非共享模式
global_reserved = 150,
systembits_inalloc = 3,
total_allocated = 550,
online_maps = 80,
maps = 0x2ff20,
scratch_map = {481036337152, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0},
system_map = {1125904739729407, 0, 1, 18446726481523507200, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0}
}
说明 对于mask内的cpu号，都需要一个中断容量，两个40就是因为80核的服务器，两个vq，平分中断，感兴趣的同学可以去查看irq_build_affinity_masks这个函数的实现。这样一个vector，因为开启了 IRQD_AFFINITY_MANAGED 属性，导致需要占用80个中断容量。而我们系统由于有512个virtio_blk设备，所以申请到部分设备的时候，就把总的
vector容量耗光了，但其实分配的irq总数才不到2000.
那么，virtio_blk设备什么时候开启的 IRQD_AFFINITY_MANAGED 属性的呢？查看git记录：
6abd6e5a44040 (Amit Shah 2011-12-22 16:58:29 +0530 507) static int init_vq(struct virtio_blk *vblk)
6abd6e5a44040 (Amit Shah 2011-12-22 16:58:29 +0530 508) {
......
6a27b656fc021 (Ming Lei 2014-06-26 17:41:48 +0800 515) struct virtio_device *vdev = vblk->vdev;
ad71473d9c437 (Christoph Hellwig 2017-02-05 18:15:25 +0100 516) struct irq_affinity desc = { 0, };----会导致blk申请中断时，使用内核managed方式来申请，一个dev会占用cpu核数这么多的容量。
看起来是 ad71473d9c437 这个 commit引入了这个问题。
但是根据virtio_blk驱动，第一遍中断申请的时候才有affinity_managed 设置，第二遍应该并没有设置，具体 vp_find_vqs_msix 如下：
//caq:vq申请中断，msix 模式,per_vq_vectors 决定是个vq共享中断还是独占中断
static int vp_find_vqs_msix(struct virtio_device *vdev, unsigned nvqs,
struct virtqueue *vqs[], vq_callback_t *callbacks[],
const char * const names[], bool per_vq_vectors,
const bool *ctx,
struct irq_affinity *desc)
{
struct virtio_pci_device *vp_dev = to_vp_device(vdev);
u16 msix_vec;
int i, err, nvectors, allocated_vectors;
vp_dev->vqs = kcalloc(nvqs, sizeof(*vp_dev->vqs), GFP_KERNEL);
if (!vp_dev->vqs)
return -ENOMEM;
if (per_vq_vectors) {//caq:单个vq 单个vector 中断号
/* Best option: one for change interrupt, one per vq. */
nvectors = 1;//caq:这个是config的中断,注意要和virtio_net的 ctrl vq区分
for (i = 0; i < nvqs; ++i)
if (callbacks[i])//caq:由于ctrl vq是不设置callbacks的，所以它没有中断
++nvectors;
} else {
/* Second best: one for change, shared for all vqs. */
nvectors = 2;
}
//caq:中断总数最少为2，最多为vq个数+1,1为config的中断,另外单个vq单个vector才具备带亲核属性
err = vp_request_msix_vectors(vdev, nvectors, per_vq_vectors,
per_vq_vectors ? desc : NULL);//caq:nvectors 为总中断数，注意desc的配置取决于 per_vq_vectors
//caq:virtio_pci申请msix的vector
static int vp_request_msix_vectors(struct virtio_device *vdev, int nvectors,
bool per_vq_vectors, struct irq_affinity *desc)
{
......
vp_dev->msix_affinity_masks
= kcalloc(nvectors, sizeof(*vp_dev->msix_affinity_masks),
GFP_KERNEL);//caq:中断掩码内存的分配
......
if (desc) {//caq:要求带亲核属性
flags |= PCI_IRQ_AFFINITY;//caq:带上亲核属性
desc->pre_vectors++; /* virtio config vector *///caq:细节，相当于指定了config中断不要设置亲核，走系统默认
}
......
原因，因为前面很多virtio_blk设备因为一个vector占用了80个中断容量，导致整体中断数不够了，
而后面的virtio_blk设备，第一遍使用vp_find_vqs_msix带 managed_affinity属性申请中断时失败，第二遍尽管使用vq共享中断模式，由于os连一个中断都分配不出来， 也会失败，导致走入了第三个流程，也就是 vp_find_vqs_intx 流程。
在另外一个virtio_blk单vq的环境上，具体查看如下：
[root@localhost config_json]# cat /proc/interrupts |grep req |tail -1
986: 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 114 0 0 IR-PCI-MSI 93687809-edge virtio180-req.0
[root@localhost config_json]# cat /proc/irq/986/smp_affinity
ffff,ffffffff,ffffffff
[root@localhost config_json]# cat /proc/interrupts |grep queues |tail -1
1650: 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 120 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 IR-PCI-MSI 94369793-edge virtio512-virtqueues
[root@localhost config_json]# cat /proc/irq/1650/smp_affinity
ffff,ffffffff,ffffffff
[root@localhost config_json]# ls /sys/bus/virtio/devices/virtio180/block/
vdsh
[root@localhost config_json]# ls /sys/bus/virtio/devices/virtio512/block/
vdafj
以上可以看出，virtio180，也就是 vdsh 的block设备，走了 vp_find_vqs_msix 第一遍流程，分配了带 managed_affinity 的vector，所以他的中断名字是req结尾的，
而另外一个 virtio512 ，也就是 vdafj 的block设备，走了 vp_find_vqs_msix 第二遍流程，没有分配 带 managed_affinity 的vector，所以它的中断名字是 virtqueues 结尾的，
而后面的设备，只能走第三个流程，报错了，所以打点发现，除了 activate的时候会报容量不足，在alloc阶段，也会在 irq_matrix_alloc 报容量不足。
int irq_matrix_alloc(struct irq_matrix *m, const struct cpumask *msk,
bool reserved, unsigned int *mapped_cpu)
{
......
cpu = matrix_find_best_cpu(m, msk);
if (cpu == UINT_MAX)//caq:在msk内，没找到合适的cpu来记账
return -ENOSPC;
cm = per_cpu_ptr(m->maps, cpu);
bit = matrix_alloc_area(m, cm, 1, false);//caq:获取一个
if (bit >= m->alloc_end)
return -ENOSPC;//caq:没有资源了
......
打点记录如下：
Returning from: 0xffffffffb7158300 : irq_matrix_reserve_managed+0x0/0x130 [kernel]
Returning to : 0xffffffffb705adb7 : x86_vector_alloc_irqs+0x2d7/0x3c0 [kernel]
0xffffffffb75dc42c : intel_irq_remapping_alloc+0x7c/0x6d0 [kernel]
0xffffffffb7156438 : msi_domain_alloc+0x68/0x120 [kernel]
0xffffffffb715457d : __irq_domain_alloc_irqs+0x12d/0x300 [kernel]
0xffffffffb7156b38 : msi_domain_alloc_irqs+0x98/0x2f0 [kernel]
0xffffffffb705e5e4 : native_setup_msi_irqs+0x54/0x90 [kernel]
0xffffffffb74ef69f : __pci_enable_msix_range+0x3df/0x5e0 [kernel]
0xffffffffb74ef96b : pci_alloc_irq_vectors_affinity+0xbb/0x130 [kernel]
0xffffffffb70635e0 : kretprobe_trampoline+0x0/0x50 [kernel]
0x1b7574a40
0x1b7574a40 (inexact)
irq_matrix_reserve_managed return -28
三、故障复现
1、只要是一开始各个核中断的aviable 容量相当，然后热插拔足够多virtio_blk设备，则必现。
2、如果各个核的中断的available容量相差很多，比如常见的numa节点的第一个cpu的中断占用过多，
使得走第一分支时因为某个核容量不够而reserve_managed 失败，然后
则会使得后面大量的virtio_blk走第二个分支，此时不带managed_affinity，反而能分配成功。
四、故障规避或解决
可能的解决方案之一：
static int init_vq(struct virtio_blk *vblk)//caq:初始化关于vq相关的内容
{
int err;
int i;
vq_callback_t **callbacks;
const char **names;
struct virtqueue **vqs;
unsigned short num_vqs;
struct virtio_device *vdev = vblk->vdev;
struct irq_affinity desc = { 0, };//caq:去掉这行代码
解决方案之二：
开启irqbalance,并让服务器进入 Power-save mode 时，irqbalance 会将中断集中分配给numa节点的第一个 CPU，这样慢慢地，各个核
的available的irq 容量就相差比较大了，当然这种不太靠谱。
解决方案之三：
手工调整中断亲核，使得某些核的容量接近于0，然后再加载virtio_blk设备。
五、作者简介
陈安庆，目前在dpu厂商 云豹智能 负责linux内核及虚拟化方面的工作，
联系方式：微信与手机同号：18752035557。
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