大家好，我是飛哥!

讀者群里一位同學(xué)的線上服務(wù)器出現(xiàn)一個(gè)詭異的問題，執(zhí)行任何命令都是報(bào)錯(cuò)“fork:無法分配內(nèi)存”。這個(gè)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(huì)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(gè)提示，大家的第一反應(yīng)肯定是懷疑內(nèi)存真的不夠了。我們這位讀者也是這么認(rèn)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(jī)會(huì)執(zhí)行成功一次)。

飛哥和群里的同學(xué)們一起參謀這個(gè)問題以后，幫出了三個(gè)思路。讓這位讀者回去挨個(gè)試。

1.是不是numa架構(gòu)下，進(jìn)程啟動(dòng)的時(shí)候綁定了node，導(dǎo)致只有一個(gè)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(gè)槽，其它node就會(huì)沒內(nèi)存。

3.查看下現(xiàn)在的進(jìn)(線)程數(shù)是多少，是不是超過最大限制了。

在經(jīng)過一段時(shí)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(bào)結(jié)論，前面關(guān)于 numa 內(nèi)存不足的猜測是錯(cuò)誤的。真實(shí)的原因是上面第 3 個(gè)，這臺(tái)服務(wù)器上面的某幾個(gè)java進(jìn)程創(chuàng)建了太多的線程，導(dǎo)致了這個(gè)報(bào)錯(cuò)的產(chǎn)生，并不真的是內(nèi)存不夠。

一、底層過程分析

這個(gè)問題中，Linux 報(bào)錯(cuò)提示存在誤導(dǎo)人的地方。導(dǎo)致大家并沒有第一時(shí)間往進(jìn)程數(shù)上想。所以才有了這么復(fù)雜曲折的排錯(cuò)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(bào)錯(cuò)到底是如何提示出來這么一個(gè)不恰當(dāng)?shù)腻e(cuò)誤提示的。然后順便咱們也來了解了解創(chuàng)建進(jìn)程的過程。

讀者的線上服務(wù)器的操作系統(tǒng)是 CentOS 7.8，我查了一下對應(yīng)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(jìn)程還是線程，都會(huì)調(diào)用到最核心的 do_fork 上來。在這個(gè)函數(shù)內(nèi)部，通過拷貝的方式來創(chuàng)建新的進(jìn)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(shí)是根據(jù)當(dāng)前進(jìn)程進(jìn)行拷貝
 //注意：倒數(shù)第二個(gè)參數(shù)傳入的是 NULL
 p = copy_process(clone_flags, stack_start, stack_size,
    child_tidptr, NULL, trace);
 ...
}

整個(gè)進(jìn)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(jìn)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(jìn)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(jìn)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(shè)置到新進(jìn)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(gè)進(jìn)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(shí)現(xiàn)的，包括 mm 結(jié)構(gòu)體、包括 namespaces等等。

我們來重點(diǎn) alloc_pid 相關(guān)的這一段。在這一段中，目的是要申請一個(gè) pid 對象出來。如果申請失敗就返回錯(cuò)誤了。大家注意這段代碼的細(xì)節(jié)：無論 alloc_pid 返回的是何種類型的失敗，其錯(cuò)誤類型都寫死的返回 -ENOMEM...... 為了方便大家理解，我單獨(dú)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(zhǔn)備調(diào)用 alloc_pid 的時(shí)候，直接就先將錯(cuò)誤類型設(shè)置成了 -ENOMEM(retval = -ENOMEM)，只要 alloc_pid 返回的不正確，都是將 ENOMEM 這個(gè)錯(cuò)誤返回給上層。而不管 alloc_pid 內(nèi)存究竟是因?yàn)槭裁丛虍a(chǎn)生的錯(cuò)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(cuò)誤碼，應(yīng)用層再給出具體的錯(cuò)誤提示，所以實(shí)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(gè)錯(cuò)誤提示太成問題了。給使用者造成了很大的困惑。

1.2 導(dǎo)致 alloc_pid 失敗的原因

那我們接著再來詳細(xì)看看都有哪些情況下分配 pid 會(huì)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(hào)失敗
 //調(diào)用到alloc_pidmap來分配一個(gè)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(shí)說的 pid 在內(nèi)核中并不是一個(gè)簡單的整數(shù)類型，而是一個(gè)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(chǔ)這個(gè)小對象。第一種錯(cuò)誤情況是如果內(nèi)存申請失敗，alloc_pid 會(huì)返回失敗。這種情況下確實(shí)是內(nèi)存問題，出錯(cuò)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(dāng)前的進(jìn)程申請進(jìn)程號(hào)，就是我們平時(shí)所說的 PID 編號(hào)。如果申請失敗，也會(huì)返回錯(cuò)誤。

對于這種情況來說，只是分配進(jìn)程編號(hào)出錯(cuò)了，和內(nèi)存不夠用半毛錢的關(guān)系都沒有。但在這種情況下內(nèi)核卻會(huì)導(dǎo)致返回給上層的錯(cuò)誤類型是 ENOMEM(Out of memory)。這實(shí)在是挺不合理的。

通過這里我們還額外學(xué)習(xí)到了另外一個(gè)知識(shí)!一個(gè)進(jìn)程并不只是申請一個(gè)進(jìn)程號(hào)就夠了。而是通過一個(gè) for 循環(huán)去申請了多個(gè)。

//file:kernel/pid.c
struct pid *alloc_pid(struct pid_namespace *ns)
{
 //調(diào)用到alloc_pidmap來分配一個(gè)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(dāng)前創(chuàng)建的進(jìn)程是一個(gè)容器中的進(jìn)程，那么它至少得申請兩個(gè) PID 號(hào)才行。一個(gè) PID 是在容器命名空間中的進(jìn)程號(hào)，一個(gè)是根命名空間(宿主機(jī))中的進(jìn)程號(hào)。

這也符合我們平時(shí)的經(jīng)驗(yàn)。在容器中的每一個(gè)進(jìn)程其實(shí)我們在宿主機(jī)中也都能看到。但是在容器中看到的進(jìn)程號(hào)一般是和在宿主機(jī)上看到的是不一樣的。比如一個(gè)進(jìn)程在容器中的 pid 是 5，在宿主機(jī)命名空間下是 1256。那么該進(jìn)程在內(nèi)核中的對象大概是如下這個(gè)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?yàn)樵蹅冇玫膬?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(wù)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(fù)這個(gè)不恰當(dāng)?shù)奶崾尽?/p>

推薦一個(gè)工具：https://elixir.bootlin.com/ 。在這個(gè)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(shí)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(shí)際的錯(cuò)誤進(jìn)行了設(shè)置。我們再來看 alloc_pid 是不是正確地設(shè)置錯(cuò)誤類型了呢?

當(dāng)我打開 alloc_pid 的源碼里，看到這一大段注釋的時(shí)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(cuò)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(gè)問題。

結(jié)論

在 Linux 里創(chuàng)建進(jìn)程時(shí)，如果在 pid 不足的時(shí)候竟然返回的錯(cuò)誤提示是“內(nèi)存不足”。這個(gè)不恰當(dāng)?shù)腻e(cuò)誤提示導(dǎo)致很多同學(xué)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(cuò)誤的時(shí)候，你就要多留個(gè)心眼兒了，別被內(nèi)核被蒙騙了，先來看看自己的進(jìn)程(線程)數(shù)是不是過多了。

至于說發(fā)現(xiàn)了這個(gè)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(huì)出現(xiàn)這么多的進(jìn)程(線程)，然后把它干掉。默認(rèn)情況下的兩三萬個(gè)進(jìn)程數(shù)對于絕大多數(shù)的服務(wù)器來說已經(jīng)是一個(gè)過于龐大的數(shù)字了，連這個(gè)數(shù)都超過了，一定是不合理的。