間もなくリリースされるLinuxカーネル6.18では、GNU/Linux環境でSystemdを使用している幅広いユーザーとシステム管理者に影響を与えている問題に対し、大幅な技術的修正が提供されます。このアップデートは、lazytimeオプションでマウントされたシステム上でSystemdユニットが大量のファイルを読み取る際に深刻なクラッシュが発生するという複数の報告を受けて行われました。これらのクラッシュに対応するため、カーネル開発者とエンジニアは、ダーティinode処理の最適化と、こうした状況によって発生するCPUオーバーヘッドの大幅な削減に注力してきました。この改善は、システムオーケストレーションにSystemdを大きく依存しているRed Hat、Ubuntu、Fedora、Debian、SUSE、Arch Linux、OpenSUSEなどの主要ディストリビューションにとっても不可欠です。大量ファイル読み取り時のSystemd関連のデッドロック：原因とメカニズムの詳細
Linux 6.18で確認されたデッドロックは、多くのディストリビューションのデフォルトのサービスマネージャーであるSystemdが、lazytimeオプションが有効にされたボリューム上の無数のファイルを読み取るドライブを処理する方法に起因しています。
Lazytimeは、書き込み操作をファイルのタイムスタンプ（アクセス時刻、変更時刻、および変更時刻）に限定することでパフォーマンスを最適化するように設計されたファイルシステムのマウントオプションです。これらのタイムスタンプをすぐにディスクに書き込むのではなく、メモリ内のバージョン（メモリ内のinode）のみを更新します。物理的な書き込みは、fsyncやメモリ内からの削除などの重要なイベントまで延期されます。
問題は、Systemd が数十万、あるいは数百万ものファイルの同時読み取りを必要とするタスクやユニットを管理する際に発生します。このようなユニット（特に cron スクリプトや大規模タスク）の終了時に、これらのダーティ inode を cgroup（コントロールグループ）からその親 cgroup に切り替える内部ロジックが極めて非効率であることが判明しています。 この非効率性は、これらの inode を適切なダーティ inode のリストに切り替える関数
inode_do_switch_wbs()
のアルゴリズムが 2 乗の複雑さを持つという事実に起因しています。つまり、cgroup が N 個のダーティ inode を処理する必要がある場合、処理時間は N の 2 乗に比例して増加し、大規模なボリュームの場合は致命的なボトルネックとなります。 実際には、これはシステムの長時間のロックアップにつながり、CPU が 100% 飽和状態になり、数時間続くこともあります。これらの状態は応答性と安定性に悪影響を及ぼし、サービスの中断や手動による再起動が必要になる場合があります。主な原因の主な説明：メタデータ書き込みを軽減するLazytimeオプション
大容量ファイル読み取りを行うSystemd実行ユニット
- 二次計算量を持つinode_do_switch_wbs()関数
- 最大数百万個のダーティinodeの蓄積によるCPU飽和
- この問題は、Red Hat Enterprise LinuxやSUSE Linux Enterprise環境など、I/O負荷が一定であるエンタープライズディストリビューションやサーバーで特に顕著でした。また、Ubuntu、Fedora、Debian、Arch Linuxなどのユーザーディストリビューションでも顕著でした。これらのエコシステムは、重要な定期タスクの自動化と制御にSystemdを大きく依存しています。
- Linux 6.18 アップデートで導入された新機能と改善点をご紹介します。パフォーマンス、セキュリティ、新機能など、このバージョンの Linux カーネルについて知っておくべきことすべてをご紹介します。
- 主要ディストリビューションにおける管理者とユースケースへの実際の影響
システム管理者にとって、今回のようなブロッキング状況は、次のような問題を引き起こす可能性があります。
他の依存 Systemd ユニットの実行が中断または遅延する
数時間にわたって CPU 使用率が 100% になり、他の重要なプロセスがブロックされる
- 安定性を回復するために複数の手動介入が必要になる
- 例えば、Fedora 42 マシンで Systemd 経由で起動されたバックアップスクリプトやクリーンアッププロセスは、様々なファイルの読み取りに大きく依存するため、この問題によってパフォーマンスが大幅に低下する可能性があります。これは、コミュニティからのフィードバックでも確認されています。
- この現象は、世界のオープンソース インフラストラクチャの大部分を占める Debian や Ubuntu ベースのサーバー環境でも深刻な問題となります。 Canonical もサポートしているこの問題は、マネージドサービスの流動性に影響を与え、カーネルレベルの修正が強く求められています。
- https://www.youtube.com/watch?v=ktyX5mfpTFk
Christian Brauner 氏によるパッチ提案と VFS ファイルシステムの徹底的な最適化
Microsoft に勤務しながらも Linux コミュニティで非常に活発に活動しているシステムエンジニアの Christian Brauner 氏が、Linux 6.18 カーネルの VFS (仮想ファイルシステム) 層に影響を与える 12 個のパッチセットを提出しました。これらのパッチは、Systemd 関連のダーティ inode 管理におけるライトバックメカニズムを特にターゲットとしています。
子cgroupから親cgroupへダーティinodeを切り替えるアルゴリズムを最適化することで、inode_do_switch_wbs()関数の複雑さを軽減します。この考え方は、2乗の計算量を伴う単純なアプローチから、よりスケーラブルなアプローチに移行し、CPUの慢性的な飽和状態を回避することです。
この手法には以下が含まれます。
cgroupからの終了時にlazytimeが有効になっている場合のダーティinodeの挙動の詳細な分析 ライトバックinodeのソートと保存に使用されるb_dirtyリストの再設計
冗長な反復処理の削減によるパフォーマンスの向上
- 開発者が以前のカーネルバージョンで問題を再現できるように、テストおよびデモスクリプトの実装
- これらの最適化によって期待される結果は目覚ましく、特にFedora、OpenSUSE、Arch Linux、SUSEなど、Systemdがすべてのシステムサービスを制御するディストリビューションでは顕著です。これらの変更は、現代のLinux環境の信頼性とスケーラビリティを確保するためのLinux Foundationの全体的なアプローチに自然に適合します。
- これらのパッチは、レビューと検証を経て、Linux 6.18におけるシステムメタデータのきめ細かな管理における転換点となる可能性があり、Fedora、Debian、さらにはCanonicalトラッカーで多数のチケットを引き起こしたブロックを回避しました。
- Linux 6.18アップデートによってもたらされた新機能、セキュリティ強化、パフォーマンス向上をご覧ください。この最新バージョンのLinuxカーネルについて知っておくべきことすべてをご覧ください。
Systemdにおける主要ディストリビューションとサービス管理への影響
サーバー、クラウド、組み込み環境の安定性が向上し、重要な操作中のCPU飽和リスクが低減されます。
DebianとUbuntu：
- これらのディストリビューションは、Systemdを介して管理スクリプトをより適切にサポートできるため、クラウド、仮想ホスト、またはユーザーワークステーションインフラストラクチャの信頼性が向上します。 OpenSUSEとSUSE Linux Enterprise：
- 特にサーバーまたはワークステーション構成において、集中的な読み取りおよび書き込みルーチン中に最適化されたI/O管理のメリットが得られます。 Arch Linux：
- ユーザーは、VFSサブシステムで最適化されたより機敏なLinuxカーネルによって保証される、複雑なタスクを実行する際の流動性の向上を実感していると報告されています。 これらのメリットは、使用するディストリビューションに関係なく、Systemdを利用するすべてのユーザーに影響します。パフォーマンスの向上は、エネルギー効率の向上、CPU過負荷によるシステム障害のリスクの低減、そして全体的な安定性の向上につながります。さらに、このカーネル修正は、Linuxコミュニティ、CanonicalやMicrosoft（その開発者を通じて）などの企業、そしてLinux Foundationによる調整の重要性を改めて認識させるものです。この相乗効果こそが、Linuxが組み込み、サーバー、デスクトップなど、現代のシステムの課題に対応できるよう進化を遂げることを可能にしているのです。
- これらのアップデートについてさらに詳しく知りたい方は、最新のカーネルバージョンやシステムツールの実用的な影響について解説した専門記事をご覧ください。例えば、CajaのLinux、Fairphone 6のLinuxサポートの一部として利用可能なものなどがあります。
Systemdにおけるダーティinodeの問題の診断と管理のための高度な手法
システム管理者や Linux エンジニアにとって、このアップデートの背後にあるメカニズムを深く理解することは、同様の異常を予測して解決するために不可欠です。以下に、実用的な方法と推奨ツールをいくつか示します。
ダーティ inode の監視： iotop や pidstatなどのツールを使用して、CPU パワーを大量に消費し、大量のライトバックを生成しているプロセスを特定します。
マウントオプションの確認：
mount
- または cat /proc/mounts
で lazytime オプションの有無を確認し、大量の読み取りブロックとファイルシステム構成を関連付けます。Systemd ログの確認：journalctlを使用して、特に大量の読み取りとそれに続くデッドロックの影響を受けるユニットを検出します。 - テスト環境での実験： Linux 6.18 パッチで提供されているような専用スクリプトを使用して状況を再現し、本番環境への展開前に動作を検証します。特定のパフォーマンスプロファイルの使用：
perfなどのツールを使用して、inode とライトバック管理のボトルネックを正確に追跡します。これらのテクニックを習得することは、Linuxシステムのパフォーマンスを最適化したい人にとって、特にSystemdが広く普及している環境において、紛れもないメリットをもたらします。最近リリースされたFedora 42をはじめ、多くのディストリビューションでは、この作業を容易にするための診断ツールがより適切に統合されています。これらのベストプラクティスは、Linuxコミュニティがシステムの堅牢性を確保しながら、広大なアプリケーションとサービスのエコシステムとの後方互換性を維持するための継続的な取り組みを補完するものです。 - Linux 6.18アップデートでもたらされたすべての新機能と改善点をご覧ください。パフォーマンスの向上、バグ修正、そして最適化されたエクスペリエンスのための新機能などです。 より安定したLinuxの未来に向けて：Linuxカーネル6.18とSystemdへの影響と展望
Linux 6.18で提供される修正は、クラウドインフラストラクチャ、プロフェッショナルワークステーション、そしてIoT（モノのインターネット）の需要を満たす、パフォーマンスと信頼性の継続的な向上の一環です。Systemdにおける大量ファイル読み取りに関連するデッドロックを削減することで、このリリースは、コンテナ、Kubernetesオーケストレーション、そして高度に動的なサーバーソリューションの時代に一般的に見られる、より複雑で高負荷なシナリオへの対応基盤も整えます。今後の開発展望： - ファイルシステムメタデータ管理のさらなる最適化 非同期操作のためのライトバックメカニズムの強化
- Systemdとカーネルレイヤーのより深い統合による、より優れた調和 Linux 6.18におけるApple A11のサポートなどの進歩に合わせて、特にApple Siliconをはじめとする最新のハードウェアアーキテクチャのサポートを拡張
開発者の取り組みは、Canonical、Red Hat、SUSE、Arch Linuxなどの主要なディストリビューションと相乗効果を発揮しており、これらのディストリビューションは今後のリリースで安定性の向上の恩恵を十分に受けることができます。さらに、Linux Foundationの支援を受けたこの取り組みは、クリティカルシステムの管理におけるオープンソースプロジェクトの成熟度を示しています。愛好家、管理者、そして開発者は、Linuxサービスを展開するためのより強固な基盤を手に入れることができました。より強力で安定したLinuxへの道は、このエコシステムの強みである、的を絞った修正と徹底的なメカニズムの最適化によって特徴づけられます。
