啊，我的程序为啥卡住啦

阅读量：5252 次

发布时间：2019-06-14

本文共 7341 字，大约阅读时间需要 24 分钟。

　　服务器程序员最怕的就是程序crash，不过有时候程序没有crash，但是“不工作”了也是够吓人的。所谓“不工作”就是指程序不再响应新的请求，处在了某种自娱自乐的状态，英语有一个很形象但的单词“hung”，但我不知道怎么翻译，姑且称之为“卡住”吧。本人遇到过的有两种情况，一种是卡在系统调用，如常见的磁盘IO或者网络、多线程锁；另一种就是代码进入了死循环。

　　在《》一文中，讨论了日志的重要性，如果日志恰当，也能帮助我们分许程序卡住的问题。如果狂刷重复的日志，那么很可能就是死循环，从日志内容就能分析出死循环的位置，甚至是死循环的原因。如果没有日志输出了，那么看看最后一条日志的内容，也许就会告诉我们即将进行IO操作，当然也可能是即将进入死循环。

　　如果日志无法提供充足的信息，那就得求助于其他的手段，在Linux下当仁不让的自然是，gdb的功能很强大，陈皓大牛的系列是我见过的讲解gdb最好的中文文章。CPython是用C语言实现的，自然也是可以用gdb来调试的，只不过，默认只显示C栈，凡人如我是无法脑补出python栈来的，这个时候就需要使用到与了，前者帮助显示Python源码的符号信息，后者能让我们能在Python语言这个层面调试程序，比如打印Python调用栈。

　　本文简答介绍在linux环境下如何利用gdb来分析卡住的程序，本文使用的Python为Cpython2.7，操作系统为Debian。

　　本文地址：

阻塞在IO

　　程序被卡住，很可能是程序被阻塞了，即在等待（wait）等个系统调用的结束，比如磁盘IO与网络IO、多线程，默认的情况下很多系统调用都是阻塞的。多线程的问题复杂一下，后面专门介绍。下面举一个UDP Socket的例子（run_forever_block.py）：

1 # -*- coding: utf-8 -*- 2 import socket 3  4 def simple_server(): 5         address = ('0.0.0.0', 40000) 6         s = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_DGRAM) 7         s.bind(address) 8  9         while True:10             data, addr = s.recvfrom(2048)11             if not data:12                 print "client has exist"13                 break14             print "received:", data, "from", addr15 16 if __name__ == '__main__':17         simple_server()

　　这是一个简单的UDP程序，代码在（0.0.0.0， 40000）这个地址上等待接收数据，核心就是第10行的函数，这就是一个阻塞（blocking）的系统调用，只有当读到数据之后才会返回，因此程序会卡在第10行。当然，也可以通过fcntl设置该函数为非阻塞（non-blocking）。

　　我们来看看阻塞的情况，运行程序，然后通过top查看这个进程的状态

　　可以看到这个进程的pid是26466，进程状态为S(Sleep)，CPU为0.0。进程状态和CPU都暗示我们，当前进程正阻塞在某个系统调用。这个时候，有一个很好使的命令：，可以跟踪进程的所有系统调用，我们来看看

~$ strace -T -tt -e trace=all -p 26466
Process 26466 attached
19:21:34.746019 recvfrom(3,

　　可以看到，进程卡在了recvfrom这个系统调用，对应的文件描述符（file descriptor）是3，其实通过recvfrom这个名字，大致也能定位问题。关于文件描述符，还有一个更实用的命令，，可以看到当前进程打开的所有文件，在linux下，一切皆文件，自然也就包括了socket。

lsof -p 26466
COMMAND PID USER FD TYPE DEVICE SIZE/OFF NODE NAME

...
python 26466 xxxxxxx 3u IPv4 221871586 0t0 UDP *:40000

　　从上面可以看出这个文件描述符（3U）更详细的信息，比如是IPV4 UDP，监听在40000端口等等。

使用gdb调试Python程序

　　上面这个例子非常的简单，简单到我们直接从系统调用就能看出问题，但是实际的情况下可能更加复杂，即无法通过系统调用直接定位到处问题的代码。这个时候就可以使用gdb了，关于如何用gdb来调试python程序，可以参考了这篇文章。以上面的代码为例，首先得做好准备条件

　　首先，参考，根据自己的Linux系统安装好python-dbg，在我的平台（Debian）上即 sudo apt-get install gdb python2.7-dbg

　　然后，下载，放在自己的HOME目录下

　　接下来就可以使用gdb进行分析了：gdb -p 26466

　　在gdb的交互式环境中，使用bt命令，看到的是C栈，意义不大，我们直接来看Python栈

(gdb) python
>import sys
>sys.path.insert(0, '/home/xxx')
>import libpython
>end

(gdb) py-bt

Traceback (most recent call first):
　　File "run_forever_block.py", line 10, in simple_server
　　　　data, addr = s.recvfrom(2048)
　　File "run_forever_block.py", line 17, in <module>
　　　　simple_server()

　　可以看到，通过py-bt就能显示出完整的python调用栈，能帮助我们定位问题。还有很多py开头的命令，具体可见libpython.py中（所有gdb.Command的子类都是一个命令），中总结了几个常用的：

py-list 　　查看当前python应用程序上下文

py-bt 　　查看当前python应用程序调用堆栈

py-bt-full 　　查看当前python应用程序调用堆栈，并且显示每个frame的详细情况

py-print 　　查看python变量

py-locals　　查看当前的scope的变量

py-up 　　查看上一个frame

py-down 　　查看下一个frame

死循环

　　死循环很令人讨厌，死循环是预期之外的无限循环。最典型的预期之内的无限循环是socketserver，进程不死，服务不止。而死循环看起来很忙（CPU100%），但是没有任何实质的作用。死循环有不同的粒度，最粗的粒度是两个进程之间的相互调用，比如RPC；其次是函数级别，较为常见的是没有边界条件的递归调用，或者在多个函数之间的相互调用；最小的粒度是在一个函数内部，某一个代码块（code block）的死循环，最为常见的就是for，while语句。在Python中，函数级别是不会造成无限循环的，如代码所示：

1 # -*- coding: utf-8 -*-2 def func1():3     func()4 5 def func():6     func1()7 8 if __name__ == '__main__':9     func()

　　运行代码，很快就会抛出一个异常：RuntimeError: maximum recursion depth exceeded。显然，python内部维护了一个调用栈，限制了最大的递归深度，默认约为1000层，也可以通过sys.setrecursionlimit(limit)来修改最大递归深度。在Python中，虽然出现这种函数级别的死循环不会导致无限循环，但是也会占用宝贵的CPU，也是决不应该出现的。

　　而代码块级别的死循环，则会让CPU转到飞起，如下面的代码

1 # -*- coding: utf-8 -*-2 3 def func():4     while True:5         pass6 7 if __name__ == '__main__':8     func()

　　这种情况，通过看CPU还是很好定位的

　　从进程状态R（run），以及100%的CPU，基本上就能确定是死循环了，当然也不排除是CPU密集型，这个跟代码的具体逻辑相关。这个时候，也是可以通过gdb来看看当前调用栈的，具体的准备工作如上，这里直接给出py-bt结果

(gdb) py-bt
Traceback (most recent call first):
　　File "run_forever.py", line 5, in func
　　File "run_forever.py", line 8, in <module>
(gdb)

　　在《》一文中，提到过使用协程greenlet能产生无限循环的效果，而且看起来非常像函数递归，其表现和gdb调试结果与这里的死循环是一样的

多线程死锁

　　由于Python的GIL，在我们的项目中使用Python多线程的时候并不多。不过多线程死锁是一个非常普遍的问题，而且一般来说又是一个低概率的事情，复现不容易，多出现在高并发的线上环境。这里直接使用《》中的代码，然后分析这个死锁的多线程程序

1 #coding=utf-8 2 import time 3 import threading 4 class Account: 5     def __init__(self, _id, balance, lock): 6         self.id = _id 7         self.balance = balance 8         self.lock = lock 9 10     def withdraw(self, amount):11         self.balance -= amount12 13     def deposit(self, amount):14         self.balance += amount15 16 17 def transfer(_from, to, amount):18     if _from.lock.acquire():#锁住自己的账户19         _from.withdraw(amount)20         time.sleep(1)#让交易时间变长，2个交易线程时间上重叠，有足够时间来产生死锁21         print 'wait for lock...'22         if to.lock.acquire():#锁住对方的账户23             to.deposit(amount)24             to.lock.release()25         _from.lock.release()26     print 'finish...'27 28 a = Account('a',1000, threading.Lock())29 b = Account('b',1000, threading.Lock())30 threading.Thread(target = transfer, args = (a, b, 100)).start()31 threading.Thread(target = transfer, args = (b, a, 200)).start()

线程死锁代码实例

　　运行代码，可以看见，该进程（进程编号26143）也是出于Sleep状态，因为本质上进程也是阻塞在了某个系统调用，因此，同样可以使用strace

p$ strace -T -tt -e trace=all -p 26143
Process 26143 attached
19:29:29.289042 futex(0x1286060, FUTEX_WAIT_PRIVATE, 0, NULL

　　可以看见，进程阻塞在这个系统调用，参数的意义可以参见manpage。

　　gdb也非常适用于调试多线程程序，对于多线程，有几个很使用的命名

　　info thread：　　列出所有的线程，以及所在线程

　　thread x：　　切换到第X号线程

　　thread apply all bt：　　打印所有线程的调用栈

　　下面是简化后的结果

(gdb) info thread
Id Target Id Frame
3 Thread 0x7fb6b2119700 (LWP 26144) "python" 0x00007fb6b38d8050 in sem_wait () from /lib/x86_64-linux-gnu/libpthread.so.0
2 Thread 0x7fb6b1918700 (LWP 26145) "python" 0x00007fb6b38d8050 in sem_wait () from /lib/x86_64-linux-gnu/libpthread.so.0
* 1 Thread 0x7fb6b3cf8700 (LWP 26143) "python" 0x00007fb6b38d8050 in sem_wait () from /lib/x86_64-linux-gnu/libpthread.so.0
(gdb) thread apply all bt

Thread 3 (Thread 0x7fb6b2119700 (LWP 26144)):
#0 0x00007fb6b38d8050 in sem_wait () from /lib/x86_64-linux-gnu/libpthread.so.0
#1 0x000000000057bd20 in PyThread_acquire_lock (waitflag=1, lock=0x126c2f0) at ../Python/thread_pthread.h:324
#2 lock_PyThread_acquire_lock.lto_priv.2551 () at ../Modules/threadmodule.c:52
...

Thread 2 (Thread 0x7fb6b1918700 (LWP 26145)):
#0 0x00007fb6b38d8050 in sem_wait () from /lib/x86_64-linux-gnu/libpthread.so.0
#1 0x000000000057bd20 in PyThread_acquire_lock (waitflag=1, lock=0x131b3d0) at ../Python/thread_pthread.h:324
...

Thread 1 (Thread 0x7fb6b3cf8700 (LWP 26143)):
#0 0x00007fb6b38d8050 in sem_wait () from /lib/x86_64-linux-gnu/libpthread.so.0
#1 0x000000000057bd20 in PyThread_acquire_lock (waitflag=1, lock=0x1286060) at ../Python/thread_pthread.h:324
#2 lock_PyThread_acquire_lock.lto_priv.2551 () at ../Modules/threadmodule.c:52
...