关于java单线程经常占用cpu 100%的分析
背景：这个是在centos7 + lxcfs 和jdk11 的环境上复现的。
下面列一下我们是怎么排查并解这个问题。
一、故障现象
OPPO内核团队接到jvm的兄弟甘兄发来的一个案例，现象是java的热点一直是如下函数，占比很高。
at sun.management.OperatingSystemImpl.getProcessCpuLoad(Native Method)我们授权后登陆oppo云宿主，发现top显示如下：
PID USER PR NI VIRT RES SHR S %CPU %MEM TIME+ COMMAND617248 service 20 0 11.9g 8.6g 9300 R 93.8 2.3 3272:09 java179526 service 20 0 11.9g 8.6g 9300 R 93.8 2.3 77462:17 java
二、故障现象分析
java的线程，能把cpu使用率打这么高，常见一般是gc或者跑jni的死循环。从jvm团队反馈的热点看，这个线程应该在一直获取cpu利用率，而不是以前常见的问题。从perf的角度看，该线程一直在触发read调用。
然后strace查看read的返回值，打印如下：
read(360, 0x7f6f9000b000, 4096) = -1 ENOTCONN (Transport endpoint is not connected)read(360, 0x7f6f9000b000, 4096) = -1 ENOTCONN (Transport endpoint is not connected)read(360, 0x7f6f9000b000, 4096) = -1 ENOTCONN (Transport endpoint is not connected)read(360, 0x7f6f9000b000, 4096) = -1 ENOTCONN (Transport endpoint is not connected)read(360, 0x7f6f9000b000, 4096) = -1 ENOTCONN (Transport endpoint is not connected)read(360, 0x7f6f9000b000, 4096) = -1 ENOTCONN (Transport endpoint is not connected)
接着查看360这个fd到底是什么类型：
# ll /proc/22345/fd/360lr-x------ 1 service service 64 Feb 4 11:24 /proc/22345/fd/360 -> /proc/stat
发现是在读取/proc/stat，和上面的java热点读取cpu利用率是能吻合的。
根据/proc/stat在容器内的挂载点。
# cat /proc/mounts |grep stattmpfs /proc/timer_stats tmpfs rw,nosuid,size=65536k,mode=755 0 0lxcfs /proc/stat fuse.lxcfs rw,nosuid,nodev,relatime,user_id=0,group_id=0,allow_other 0 0lxcfs /proc/stat fuse.lxcfs rw,nosuid,nodev,relatime,user_id=0,group_id=0,allow_other 0 0lxcfs /proc/diskstats fuse.lxcfs rw,nosuid,nodev,relatime,user_id=0,group_id=0,allow_other 0 0
很奇怪的是，发现有两个挂载点都是/proc/stat。
尝试手工读取一下这个文件：
# cat /proc/statcpu 12236554 0 0 9808893 0 0 0 0 0 0cpu0 10915814 0 0 20934 0 0 0 0 0 0cpu1 1320740 0 0 9787959 0 0 0 0 0 0
说明bash访问这个挂载点没有问题，难道bash访问的挂载点和出问题的java线程访问的挂载点不是同一个？
查看对应java打开的fd的super_block和mount。
crash> files 22345 |grep -w 360360 ffff914f93efb400 ffff91541a16d440 ffff9154c7e29500 REG /rootfs/proc/stat/proc/statcrash> inode.i_sb ffff9154c7e29500i_sb = 0xffff9158797bf000
然后查看对应进程归属mount的namespace中的挂载点信息：
mount -n 22345 |grep lxcfsffff91518f28b000 ffff9158797bf000 fuse lxcfs /rootfs/proc/statffff911fb0209800 ffff914b3668e800 fuse lxcfs /rootfs/var/lib/baymax/var/lib/baymax/lxcfsffff915535becc00 ffff914b3668e800 fuse lxcfs /rootfs/proc/cpuinfoffff915876b45380 ffff914b3668e800 fuse lxcfs /rootfs/proc/meminfoffff912415b56e80 ffff914b3668e800 fuse lxcfs /rootfs/proc/uptimeffff91558260f300 ffff914b3668e800 fuse lxcfs /rootfs/proc/stat/proc/statffff911f52a6bc00 ffff914b3668e800 fuse lxcfs /rootfs/proc/diskstatsffff914d24617180 ffff914b3668e800 fuse lxcfs /rootfs/proc/swapsffff911de87d0180 ffff914b3668e800 fuse lxcfs /rootfs/sys/devices/system/cpu/online
由于cat操作较短，写一个简单的demo代码，open 之后不关闭并且read 对应的/proc/stat路径，发现它访问的挂载点的super_blcok是 ffff914b3668e800，由于代码极为简单，在此不列出。
也就是进一步地确认了，出问题的java进程访问的是一个出问题的挂载点。那为什么访问这个挂载点会返回ENOTCONN呢？
crash> struct file.private_data ffff914f93efb400private_data = 0xffff911e57b49b80---根据fuse模块代码，这个是一个fuse_filecrash> fuse_file.fc 0xffff911e57b49b80fc = 0xffff9158797be000crash> fuse_conn.connected 0xffff9158797be000connected = 0
果然对应的fuse_conn的连接状态是0，从打点看，是在fuse_get_req返回的。调用链如下：
sys_read-->vfs_read-->fuse_direct_read-->__fuse_direct_read-->fuse_direct_io--->fuse_get_req--->__fuse_get_reqstatic struct fuse_req *__fuse_get_req(struct fuse_conn *fc, unsigned npages,bool for_background){...err = -ENOTCONN;if (!fc->connected)goto out;...}
下面要定位的就是，为什么出问题的java线程会没有判断read的返回值，而不停重试呢？
gdb跟踪一下：
(gdb) bt0 0x00007fec3a56910d in read () at ../sysdeps/unix/syscall-template.S:811 0x00007fec3a4f5c04 in _IO_new_file_underflow (fp=0x7fec0c01ae00) at fileops.c:5932 0x00007fec3a4f6dd2 in __GI__IO_default_uflow (fp=0x7fec0c01ae00) at genops.c:4143 0x00007fec3a4f163e in _IO_getc (fp=0x7fec0c01ae00) at getc.c:394 0x00007febeacc6738 in get_totalticks.constprop.4 () from /usr/local/paas-agent/HeyTap-Linux-x86_64-11.0.7/lib/libmanagement_ext.so5 0x00007febeacc6e47 in Java_com_sun_management_internal_OperatingSystemImpl_getSystemCpuLoad0 ()from /usr/local/paas-agent/HeyTap-Linux-x86_64-11.0.7/lib/libmanagement_ext.so
确认了用户态在循环进入 _IO_getc的流程，然后jvm的甘兄开始走查代码，发现有一个代码非常可疑：
UnixOperatingSystem.c：get_totalticks 函数，会有一个循环如下：
static void next_line(FILE *f) {while (fgetc(f) != '\n');}
从fuse模块的代码看，fc->connected = 0的地方并不是很多，基本都是abort或者fuse_put_super调用导致，通过对照java线程升高的时间点以及查看journal的日志，进一步fuse的挂载点失效有用户态文件系统lxcfs退出，而挂载点还有inode在访问导致，导致又无法及时地回收这个super_block,新的挂载使用的是：
remount_container() {export f=/proc/stat && test -f /var/lib/baymax/lxcfs/$f && (umount $f; mount --bind /var/lib/baymax/lxcfs/$f $f)
使用了bind模式，具体bind的mount的特性可以参照网上的资料。
并且在journal日志中，查看到了关键的：
: umount: /proc/stat: target is busy这行日志表明，当时卸载时出现失败，不是所有的访问全部关闭。
三、故障复现
针对以上的怀疑点，写了一个很简单的demo如下：
static void next_line(FILE *f) {while (fgetc(f) != '\n');//出错的关键点}int main(int argc,char* argv[]){unsigned long i =1;unsigned long j=0;FILE * f=NULL;FILE *fh;unsigned long userTicks, niceTicks, systemTicks, idleTicks;unsigned long iowTicks = 0, irqTicks = 0, sirqTicks= 0;int n;if((fh = fopen("/proc/stat", "r")) == NULL) {return -1;}n = fscanf(fh, "cpu " DEC_64 " " DEC_64 " " DEC_64 " " DEC_64 " " DEC_64 " "DEC_64 " " DEC_64,&userTicks, &niceTicks, &systemTicks, &idleTicks,&iowTicks, &irqTicks, &sirqTicks);// Move to next linewhile(i!=SET_VALUE_GDB)----------如果挂载点不变，则走这个大循环，单核cpu接近40%{next_line(fh);//挂载点一旦变化，返回 ENOTCONN，则走这个小循环，单核cpu会接近100%j++;}fclose(fh);return 0;}
执行以上代码，获得结果如下：
#gcc -g -o caq.o caq.c一开始单独运行./caq.o，会看到cpu占用如下：628957 root 20 0 8468 612 484 R 32.5 0.0 18:40.92 caq.o发现cpu占用率时32.5左右，此时挂载点信息如下：mount -n 628957 |grep lxcfsffff88a5a2619800 ffff88a1ab25f800 fuse lxcfs /rootfs/proc/statffff88cf53417000 ffff88a4dd622800 fuse lxcfs /rootfs/var/lib/baymax/var/lib/baymax/lxcfsffff88a272f8c600 ffff88a4dd622800 fuse lxcfs /rootfs/proc/cpuinfoffff88a257b28900 ffff88a4dd622800 fuse lxcfs /rootfs/proc/meminfoffff88a5aff40300 ffff88a4dd622800 fuse lxcfs /rootfs/proc/uptimeffff88a3db2bd680 ffff88a4dd622800 fuse lxcfs /rootfs/proc/stat/proc/statffff88a2836ba400 ffff88a4dd622800 fuse lxcfs /rootfs/proc/diskstatsffff88bcb361b600 ffff88a4dd622800 fuse lxcfs /rootfs/proc/swapsffff88776e623480 ffff88a4dd622800 fuse lxcfs /rootfs/sys/devices/system/cpu/online由于没有关闭/proc/stat的fd，也就是进行大循环，然后这个时候重启lxcfs挂载：#systemctl restart lxcfs重启之后，发现挂载点信息如下：mount -n 628957 |grep lxcfsffff88a5a2619800 ffff88a1ab25f800 fuse lxcfs /rootfs/proc/statffff88a3db2bd680 ffff88a4dd622800 fuse lxcfs /rootfs/proc/stat/proc/stat------------这个挂载点，由于fd未关闭，所以卸载肯定失败，可以看到super_block是重启前的ffff887795a8f600 ffff88a53b6c6800 fuse lxcfs /rootfs/var/lib/baymax/var/lib/baymax/lxcfsffff88a25472ae80 ffff88a53b6c6800 fuse lxcfs /rootfs/proc/cpuinfoffff88cf75ff1e00 ffff88a53b6c6800 fuse lxcfs /rootfs/proc/meminfoffff88a257b2ad00 ffff88a53b6c6800 fuse lxcfs /rootfs/proc/uptimeffff88cf798f0d80 ffff88a53b6c6800 fuse lxcfs /rootfs/proc/stat/proc/stat/proc/stat--------bind模式挂载，会新生成一个/proc/statffff88cf36ff2880 ffff88a53b6c6800 fuse lxcfs /rootfs/proc/diskstatsffff88cf798f1f80 ffff88a53b6c6800 fuse lxcfs /rootfs/proc/swapsffff88a53f295980 ffff88a53b6c6800 fuse lxcfs /rootfs/sys/devices/system/cpu/onlinecpu立刻打到接近100%628957 root 20 0 8468 612 484 R 98.8 0.0 18:40.92 caq.o
四、故障规避或解决
我们的解决方案是：
1. 在fgetc 中增加返回值的判断，不能无脑死循环。
2. 由于lxcfs在3.1.2 的版本会有段错误导致退出的bug，尽量升级到4.0.0以上版本，不过这个涉及到libfuse动态库的版本适配。
3. 在lxcfs等使用fuse的用户态文件系统进行remount的时候，如果遇到umount失败，则延迟加重试，超过次数通过日志告警系统抛出告警。
关于作者：
Anqing，OPPO混合云内核&虚拟化技术负责人
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