明明還有大量內(nèi)存，為啥報錯“無法分配內(nèi)存”？
讀者群里一位同學的線上服務器出現(xiàn)一個詭異的問題，執(zhí)行任何命令都是報錯“fork:無法分配內(nèi)存”。這個問題最近出現(xiàn)的，前幾次重啟后解決的，但是每隔 2-3 天就會出現(xiàn)一次。
#?service?docker?stop
-bash?fork:?無法分配內(nèi)存
#?vi?1.txt
-bash?fork:?無法分配內(nèi)存
看到這個提示，大家的第一反應肯定是懷疑內(nèi)存真的不夠了。我們這位讀者也是這么認為的。但查看內(nèi)存占用卻發(fā)現(xiàn)根本沒有，內(nèi)存還空閑了一大把！（多試幾次才有機會執(zhí)行成功一次）
1.是不是numa架構(gòu)下，進程啟動的時候綁定了node，導致只有一個node里的內(nèi)存在起作用？ 2.numa架構(gòu)下，如果所有內(nèi)存都插到一個槽，其它node就會沒內(nèi)存 3.查看下現(xiàn)在的進(線)程數(shù)是多少，是不是超過最大限制了
在經(jīng)過一段時間的排查以后，這位讀者的問題順利解決。這里直接和大家匯報結(jié)論，前面關于 numa 內(nèi)存不足的猜測是錯誤的。真實的原因是上面第 3 個，這臺服務器上面的某幾個java進程創(chuàng)建了太多的線程，導致了這個報錯的產(chǎn)生，并不真的是內(nèi)存不夠。
一、底層過程分析
這個問題中，Linux 報錯提示存在誤導人的地方。導致大家并沒有第一時間往進程數(shù)上想。所以才有了這么復雜曲折的排錯過程，以至于在群里討論才得以解決。
于是我想深入到內(nèi)核里看看，報錯到底是如何提示出來這么一個不恰當?shù)腻e誤提示的。然后順便咱們也來了解了解創(chuàng)建進程的過程。
讀者的線上服務器的操作系統(tǒng)是 CentOS 7.8，我查了一下對應的內(nèi)核版本是 3.10.0-1127。
1.1 do_fork 剖析
在 Linux 內(nèi)核里，無論是創(chuàng)建進程還是線程，都會調(diào)用到最核心的 do_fork 上來。在這個函數(shù)內(nèi)部，通過拷貝的方式來創(chuàng)建新的進程（線程）所需要的內(nèi)核數(shù)據(jù)對象。
//file:kernel/fork.c
long?do_fork(unsigned?long?clone_flags,?...)
{
?//所謂的創(chuàng)建，其實是根據(jù)當前進程進行拷貝
?//注意：倒數(shù)第二個參數(shù)傳入的是 NULL
?p?=?copy_process(clone_flags,?stack_start,?stack_size,
????child_tidptr,?NULL,?trace);
?...
}
整個進程創(chuàng)建的核心都是位于 copy_process 中，我們來看它的源碼。
//file:kernel/fork.c
static?struct?task_struct?*copy_process(unsigned?long?clone_flags,?
????...
????struct?pid?*pid,
????int?trace)
{
?//內(nèi)核表示進程（線程）的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)叫task_struct
?struct?task_struct?*p;
?......
?//拷貝方式生成新進程的核心數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)
?p?=?dup_task_struct(current);
?//拷貝方式生成新進程的其它核心數(shù)據(jù)
?retval?=?copy_semundo(clone_flags,?p);
?retval?=?copy_files(clone_flags,?p);
?retval?=?copy_fs(clone_flags,?p);
?retval?=?copy_sighand(clone_flags,?p);
?retval?=?copy_mm(clone_flags,?p);
?retval?=?copy_namespaces(clone_flags,?p);
?retval?=?copy_io(clone_flags,?p);
?retval?=?copy_thread(clone_flags,?stack_start,?stack_size,?p);
?//注意這里！！！！！！
?//申請整數(shù)形式的?pid?值
?if?(pid?!=?&init_struct_pid)?{
??retval?=?-ENOMEM;
??pid?=?alloc_pid(p->nsproxy->pid_ns);
??if?(!pid)
???goto?bad_fork_cleanup_io;
?}
?//將生成的整數(shù)pid值設置到新進程的?task_struct?上
?p->pid?=?pid_nr(pid);
?p->tgid?=?p->pid;
?if?(clone_flags?&?CLONE_THREAD)
??p->tgid?=?current->tgid;
bad_fork_cleanup_io:
?if?(p->io_context)
??exit_io_context(p);
......
fork_out:
?return?ERR_PTR(retval);?
}
通過以上代碼可以看出，Linux 內(nèi)核創(chuàng)建整個進程內(nèi)核對象的創(chuàng)建過程都是通過分別調(diào)用不同的 copy_xxx 的方式來實現(xiàn)的，包括 mm 結(jié)構(gòu)體、包括 namespaces等等。
我們來重點 alloc_pid 相關的這一段。在這一段中，目的是要申請一個 pid 對象出來。如果申請失敗就返回錯誤了。大家注意這段代碼的細節(jié)：無論 alloc_pid 返回的是何種類型的失敗，其錯誤類型都寫死的返回 -ENOMEM。。。?為了方便大家理解，我單獨把這段邏輯再展示一遍。
//file:kernel/fork.c
static?struct?task_struct?*copy_process(...){
?......
?//申請整數(shù)形式的?pid?值
?if?(pid?!=?&init_struct_pid)?{
??retval?=?-ENOMEM;
??pid?=?alloc_pid(p->nsproxy->pid_ns);
??if?(!pid)
???goto?bad_fork_cleanup_io;
?}
bad_fork_cleanup_io:
...
fork_out:
?return?ERR_PTR(retval);?
}?
在準備調(diào)用 alloc_pid 的時候，直接就先將錯誤類型設置成了 -ENOMEM(retval = -ENOMEM)，只要 alloc_pid 返回的不正確，都是將 ENOMEM 這個錯誤返回給上層。而不管 alloc_pid 內(nèi)存究竟是因為什么原因產(chǎn)生的錯誤。
我們來查看一下 ENOMEM 的定義。它代表的是 Out of memory 的意思。（內(nèi)核只是返回錯誤碼，應用層再給出具體的錯誤提示，所以實際提示的是中文的“無法分配內(nèi)存”）。
//file:include/uapi/asm-generic/errno-base.h
#define?ENOMEM??12?/*?Out?of?memory?*/
不得不說。內(nèi)核的這個錯誤提示太成問題了。給使用者造成了很大的困惑。
1.2 導致 alloc_pid 失敗的原因
那我們接著再來詳細看看都有哪些情況下分配 pid 會失敗呢？來看 alloc_pid 的源碼
//file:kernel/pid.c
struct?pid?*alloc_pid(struct?pid_namespace?*ns)
{
?//第一種情況：申請 pid 內(nèi)核對象失敗
?pid?=?kmem_cache_alloc(ns->pid_cachep,?GFP_KERNEL);
?if?(!pid)
??goto?out;
?//第二種情況:申請整數(shù)?pid?號失敗
?//調(diào)用到alloc_pidmap來分配一個空閑的pid
?tmp?=?ns;
?pid->level?=?ns->level;
?for?(i?=?ns->level;?i?>=?0;?i--)?{
??nr?=?alloc_pidmap(tmp);
??if?(nr?0)
???goto?out_free;
??pid->numbers[i].nr?=?nr;
??pid->numbers[i].ns?=?tmp;
??tmp?=?tmp->parent;
?}
?...
out:
?return?pid;?
out_free:
?goto?out;?
}
我們平時說的 pid 在內(nèi)核中并不是一個簡單的整數(shù)類型，而是一個小結(jié)構(gòu)體來表示的（struct pid），如下。
//file:include/linux/pid.h
struct?pid
{
?atomic_t?count;
?unsigned?int?level;
?struct?hlist_head?tasks[PIDTYPE_MAX];
?struct?rcu_head?rcu;
?struct?upid?numbers[1];
};
所以需要先到內(nèi)存中申請一塊內(nèi)存用來存儲這個小對象。第一種錯誤情況是如果內(nèi)存申請失敗，alloc_pid 會返回失敗。這種情況下確實是內(nèi)存問題，出錯后內(nèi)核返回 ENOMEM 無可厚非。
接著往下看第二種情況，alloc_pidmap 是要為當前的進程申請進程號，就是我們平時所說的 PID 編號。如果申請失敗，也會返回錯誤。
對于這種情況來說，只是分配進程編號出錯了，和內(nèi)存不夠用半毛錢的關系都沒有。但在這種情況下內(nèi)核卻會導致返回給上層的錯誤類型是 ENOMEM（Out of memory）。這實在是挺不合理的。
通過這里我們還額外學習到了另外一個知識！一個進程并不只是申請一個進程號就夠了。而是通過一個 for 循環(huán)去申請了多個。
//file:kernel/pid.c
struct?pid?*alloc_pid(struct?pid_namespace?*ns)
{
?//調(diào)用到alloc_pidmap來分配一個空閑的pid
?tmp?=?ns;
?pid->level?=?ns->level;
?for?(i?=?ns->level;?i?>=?0;?i--)?{
??nr?=?alloc_pidmap(tmp);
??if?(nr?0)
???goto?out_free;
??pid->numbers[i].nr?=?nr;
??pid->numbers[i].ns?=?tmp;
??tmp?=?tmp->parent;
?}
}
假如說當前創(chuàng)建的進程是一個容器中的進程，那么它至少得申請兩個 PID 號才行。一個 PID 是在容器命名空間中的進程號，一個是根命名空間（宿主機）中的進程號。
這也符合我們平時的經(jīng)驗。在容器中的每一個進程其實我們在宿主機中也都能看到。但是在容器中看到的進程號一般是和在宿主機上看到的是不一樣的。比如一個進程在容器中的 pid 是 5，在宿主機命名空間下是 1256。那么該進程在內(nèi)核中的對象大概是如下這個樣子。
二、新版本是否有所改觀
接下來，我首先想到的可能是因為咱們用的內(nèi)核版本太舊了。（熟悉飛哥的讀者都知道，我用的內(nèi)核版本是 3.10.1，這是為了和我們公司線上服務器的版本保持一致。）
所以我又到非常新的 Linux 5.16.11 翻了一翻，看看新版本是否有修復這個不恰當?shù)奶崾尽?/p>
推薦一個工具：https://elixir.bootlin.com/ 。在這個網(wǎng)站上可以查看任意版本的 linux 內(nèi)核源碼。如果只是臨時看一下，用它非常的合適。
//file:kernel/fork.c
static?__latent_entropy?struct?task_struct?*copy_process(...)
{
?...
?pid?=?alloc_pid(p->nsproxy->pid_ns_for_children,?args->set_tid,
????args->set_tid_size);
?if?(IS_ERR(pid))?{
??retval?=?PTR_ERR(pid);
??goto?bad_fork_cleanup_thread;
?}
}
貌似看起來有戲，retval 不再寫死的是 ENOMEM 了，而是根據(jù) alloc_pid 實際的錯誤進行了設置。我們再來看 alloc_pid 是不是正確地設置錯誤類型了呢？
當我打開 alloc_pid 的源碼里，看到這一大段注釋的時候，我的心涼了半截。。。
//file:include/pid.c
struct?pid?*alloc_pid(struct?pid_namespace?*ns,?...)
{
?/*
??*?ENOMEM?is?not?the?most?obvious?choice?especially?for?the?case
??*?where?the?child?subreaper?has?already?exited?and?the?pid
??*?namespace?denies?the?creation?of?any?new?processes.?But?ENOMEM
??*?is?what?we?have?exposed?to?userspace?for?a?long?time?and?it?is
??*?documented?behavior?for?pid?namespaces.?So?we?can't?easily
??*?change?it?even?if?there?were?an?error?code?better?suited.
??*/
?retval?=?-ENOMEM;
?.......
?
?return?retval
}
我把這段注釋給大家大致翻譯一下。它的意思是“ENOMEM不是最明顯的選擇，尤其是對于 pid 創(chuàng)建失敗的情況下。但是，ENOMEM 是我們長期暴露給用戶空間的東西。因此，即使有更適合的錯誤代碼，我們也無法輕易更改它”
看到這兒，我想起了有不少人也稱 Linux 為屎山，可能這就是其中的一坨吧！最新的版本里也并沒有很好地解決這個問題。
結(jié)論
在 Linux 里創(chuàng)建進程時，如果在 pid 不足的時候竟然返回的錯誤提示是“內(nèi)存不足”。這個不恰當?shù)腻e誤提示導致很多同學都困惑不已。
通過今天的文章，以后你再遇到這種內(nèi)存不足錯誤的時候，你就要多留個心眼兒了，別被內(nèi)核被蒙騙了，先來看看自己的進程（線程）數(shù)是不是過多了。
至于說發(fā)現(xiàn)了這個問題該如何解決嘛，可以通過修改內(nèi)核參數(shù)加大可用 pid 數(shù)量(/proc/sys/kernel/pid_max)。
但是我覺得最根本的方法還是要揪出來為啥系統(tǒng)中會出現(xiàn)這么多的進程（線程），然后把它干掉。默認情況下的兩三萬個進程數(shù)對于絕大多數(shù)的服務器來說已經(jīng)是一個過于龐大的數(shù)字了，連這個數(shù)都超過了，一定是不合理的。
完
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