Linux 6.18: Aktualizacja rozwiązująca problemy z blokadami podczas odczytu wielu plików przez jednostki Systemd

Zbliżająca się premiera jądra Linuksa 6.18 wprowadza istotną poprawkę techniczną na problem, który dotknął wielu użytkowników i administratorów systemów korzystających z Systemd w środowiskach GNU/Linux. Aktualizacja ta pojawia się po kilku zgłoszeniach poważnych awarii, gdy jednostki Systemd odczytywały dużą liczbę plików w systemach zamontowanych z włączoną opcją lazytime. W odpowiedzi na te awarie programiści i inżynierowie jądra skupili się na optymalizacji obsługi niepoprawnych inodów i radykalnym zmniejszeniu obciążenia procesora spowodowanego tymi sytuacjami. To ulepszenie jest również niezbędne dla wiodących dystrybucji, takich jak Red Hat, Ubuntu, Fedora, Debian, SUSE, Arch Linux i OpenSUSE, które w dużym stopniu polegają na Systemd w zakresie koordynacji systemu. Blokady związane z Systemd podczas masowych odczytów plików: szczegółowe przyczyny i mechanizmy

Blokady zidentyfikowane w Linuksie 6.18 wynikają ze sposobu, w jaki Systemd, domyślny menedżer usług w wielu dystrybucjach, obsługuje dyski odczytujące niezliczone pliki na woluminach zamontowanych z włączoną opcją lazytime.

Lazytime to opcja montowania systemu plików zaprojektowana w celu optymalizacji wydajności poprzez ograniczenie operacji zapisu do znaczników czasu pliku (czasu dostępu, modyfikacji i zmiany). Zamiast od razu zapisywać te znaczniki czasu na dysku, lazytime aktualizuje jedynie wersję w pamięci (inode in-memory). Zapisy fizyczne są odkładane do czasu wystąpienia ważnego zdarzenia, takiego jak fsync lub usunięcie danych z pamięci.

Problem pojawia się, gdy Systemd zarządza zadaniami lub jednostkami wymagającymi jednoczesnego odczytu setek tysięcy, a nawet milionów plików. Na końcu takiej jednostki (szczególnie w skryptach cron lub zadaniach na dużą skalę), wewnętrzna logika przełączania tych brudnych inodów z grupy cgroup (grupy kontrolnej) do nadrzędnej grupy cgroup okazuje się wyjątkowo nieefektywna. Ta nieefektywność wynika z faktu, że funkcja

inode_do_switch_wbs()

, odpowiedzialna za przełączanie tych inodów na odpowiednią listę brudnych inodów, charakteryzuje się kwadratową złożonością algorytmiczną. Oznacza to, że jeśli grupa cgroup musi przetworzyć N brudnych inodów, wymagany czas wzrasta proporcjonalnie do N², co stanowi poważne wąskie gardło w przypadku dużych wolumenów. W praktyce skutkuje to długotrwałymi zawieszeniami systemu, które mogą trwać kilka godzin przy 100% obciążeniu procesora. Stany te negatywnie wpływają na responsywność i stabilność, czasami powodując przerwy w działaniu usług lub wymagając ręcznego restartu. Kluczowe wyjaśnienia głównych przyczyn:Opcja Lazytime łagodząca zapisy metadanych

Systemd wykonujący jednostki z dużymi odczytami plików

• Funkcja inode_do_switch_wbs() o złożoności kwadratowej
• Akumulacja nawet milionów „brudnych” inodów powodująca nasycenie procesora
• Problem ten był szczególnie zauważalny w dystrybucjach korporacyjnych i serwerach, gdzie obciążenie wejścia/wyjścia jest stałe, na przykład w środowiskach Red Hat Enterprise Linux lub SUSE Linux Enterprise, ale także w dystrybucjach dla użytkowników, takich jak Ubuntu, Fedora, Debian czy Arch Linux. Ekosystemy te w dużym stopniu polegają na Systemd w zakresie automatyzacji i kontroli krytycznych zadań okresowych.
• Odkryj nowe funkcje i ulepszenia wprowadzone w aktualizacji Linux 6.18. Wydajność, bezpieczeństwo i nowe funkcje: wszystko, co musisz wiedzieć o tej wersji jądra Linux.
• Rzeczywisty wpływ na administratorów i przypadki użycia w głównych dystrybucjach

Dla administratora systemu sytuacja blokująca, taka jak opisana, może prowadzić do:

Przerwania lub opóźnienia w działaniu innych zależnych jednostek Systemd

100% wykorzystania procesora przez kilka godzin, blokując inne istotne procesy

• Wielu ręcznych interwencji w celu przywrócenia stabilności
• Na przykład, wydajność skryptu kopii zapasowej lub procesu czyszczenia uruchomionego za pośrednictwem Systemd na komputerze z systemem Fedora 42, który w dużym stopniu opiera się na odczycie różnych plików, może drastycznie spaść z powodu tego problemu, co zaobserwowano w opiniach społeczności.
• Zjawisko to ma również krytyczne znaczenie w środowiskach serwerowych opartych na Debianie lub Ubuntu, które stanowią znaczną część światowych infrastruktur open source. Problem, również wspierany przez Canonical, wpłynął na płynność działania usług zarządzanych, co z kolei wymusiło konieczność wprowadzenia poprawki na poziomie jądra.
• https://www.youtube.com/watch?v=ktyX5mfpTFk

Proponowane poprawki Christiana Braunera i głęboka optymalizacja systemu plików VFS

Inżynier systemowy Christian Brauner, pracujący w firmie Microsoft, ale niezwykle aktywny w społeczności Linuksa, przesłał zestaw 12 poprawek wpływających na warstwę VFS (wirtualny system plików) jądra Linuksa 6.18. Poprawki te dotyczą w szczególności mechanizmu zapisu wstecznego (writeback) związanego z zarządzaniem brudnymi inodami powiązanymi z Systemd.

Zmniejszenie złożoności funkcji inode_do_switch_wbs() poprzez optymalizację algorytmu przełączania brudnych inodów z podrzędnych cgroup do nadrzędnej cgroup. Celem jest przejście od naiwnego podejścia o kwadratowej złożoności do bardziej skalowalnego, unikając chronicznego przeciążenia procesora.

Metodologia obejmuje:

Dokładną analizę zachowania brudnych inodów z włączonym opóźnieniem (lazytime) podczas wychodzenia z cgroup Przeprojektowanie listy b_dirty używanej do sortowania i przechowywania inodów z funkcją write-back

Poprawę wydajności poprzez redukcję zbędnych iteracji

• Wdrożenie skryptów testowych i demonstracyjnych umożliwiających programistom odtworzenie problemu we wcześniejszych wersjach jądra
• Oczekiwane rezultaty tych optymalizacji są spektakularne, szczególnie w dystrybucjach, w których Systemd kontroluje wszystkie usługi systemowe, takich jak Fedora, OpenSUSE, Arch Linux czy SUSE. Zmiany te naturalnie wpisują się w ogólne podejście Linux Foundation do zapewnienia niezawodności i skalowalności nowoczesnych środowisk Linux. Te poprawki, po przeglądzie i walidacji, można uznać za punkt zwrotny w precyzyjnym zarządzaniu metadanymi systemowymi w systemie Linux 6.18, co pozwoliło uniknąć blokad, które spowodowały liczne zgłoszenia w Fedorze, Debianie, a nawet w trackerach Canonical.
• Odkryj nowe funkcje, ulepszenia bezpieczeństwa i wydajności wprowadzone w aktualizacji Linux 6.18. Wszystko, co musisz wiedzieć o najnowszej wersji jądra Linux.
• https://www.youtube.com/watch?v=iRFIMSZSpH4

Wpływ na główne dystrybucje i zarządzanie usługami w Systemd

Usunięcie tych blokad w Systemd będzie miało bezpośredni i pośredni wpływ na główne dystrybucje GNU/Linux używane w środowisku produkcyjnym i przez użytkowników domowych. W szczególności:

Debian i Ubuntu:

Te dystrybucje mogą lepiej obsługiwać skrypty administracyjne za pośrednictwem Systemd, zwiększając niezawodność w infrastrukturze chmurowej, hostów wirtualnych lub stacji roboczych użytkowników.

• OpenSUSE i SUSE Linux Enterprise: korzystają ze zoptymalizowanego zarządzania wejściem/wyjściem podczas intensywnych procedur odczytu i zapisu, szczególnie w konfiguracjach serwerowych lub stacji roboczych.
• Arch Linux: Użytkownicy zauważają zwiększoną płynność podczas wykonywania złożonych zadań, gwarantowaną przez bardziej elastyczne jądro Linuksa zoptymalizowane w podsystemie VFS.
• Te korzyści dotyczą wszystkich użytkowników korzystających z Systemd, niezależnie od preferowanej dystrybucji. Wzrost wydajności przekłada się na lepszą efektywność energetyczną, mniejsze ryzyko awarii systemu z powodu przeciążenia procesora i większą ogólną stabilność. Co więcej, ta poprawka do jądra przypomina o znaczeniu współpracy między społecznością Linuksa, firmami takimi jak Canonical i Microsoft (za pośrednictwem ich programistów) oraz koordynacją ze strony Linux Foundation. To właśnie ta synergia pozwala Linuksowi ewoluować, aby sprostać obecnym wyzwaniom współczesnych systemów, zarówno wbudowanych, serwerowych, jak i stacjonarnych. Aby zgłębić te aktualizacje, entuzjaści mogą zapoznać się ze specjalistycznymi artykułami dotyczącymi najnowszych wersji jądra lub praktycznych implikacji dla narzędzi systemowych, dostępnych na przykład na platformach takich jak
• Linux w Caja lub

w ramach wsparcia Linux dla Fairphone 6

.

Zaawansowane techniki diagnozowania i zarządzania problemami z brudnymi inodami w Systemd Dla administratorów systemów i inżynierów Linuksa dogłębne zrozumienie mechanizmów stojących za tą aktualizacją jest niezbędne do przewidywania i rozwiązywania podobnych anomalii. Oto kilka praktycznych metod i zalecanych narzędzi: Monitorowanie brudnych inodów: Użyj narzędzi takich jakiotop

lub

pidstat

• do identyfikacji procesów, które zużywają dużo mocy procesora i generują duże opóźnienia zapisu. Badanie opcji montowania: Sprawdź obecność opcji lazytime za pomocą mount lub cat /proc/mounts
• w celu skorelowania bloków intensywnego odczytu z konfiguracją systemu plików. Sprawdź dzienniki Systemd: Użyj journalctl , w szczególności w celu wykrywania jednostek dotkniętych dużymi odczytami, po których następują blokady. Eksperymentowanie w środowisku testowym:
• Odtwórz warunki za pomocą dedykowanych skryptów, takich jak te zawarte w łatce Linux 6.18, aby zweryfikować działanie przed wdrożeniem w środowisku produkcyjnym. Używanie określonych profili wydajności: za pomocą narzędzi takich jak perfdo precyzyjnego śledzenia wąskich gardeł w zarządzaniu inodami i opóźnieniami zapisu.
• Opanowanie tych technik zapewnia niezaprzeczalną przewagę tym, którzy chcą zoptymalizować wydajność swoich systemów Linux, szczególnie w kontekście wszechobecnego Systemd. Wiele dystrybucji, takich jak niedawno wydana Fedora 42, oferuje lepszą integrację narzędzi diagnostycznych, ułatwiających to zadanie. Te najlepsze praktyki uzupełniają ciągłe wysiłki społeczności Linux, mające na celu zapewnienie stabilności systemu przy jednoczesnym zapewnieniu wstecznej kompatybilności z rozległym ekosystemem aplikacji i usług.
• Odkryj wszystkie nowe funkcje i ulepszenia wprowadzone w aktualizacji Linux 6.18: lepszą wydajność, poprawki błędów i nowe funkcje optymalizujące działanie. Ku stabilniejszej przyszłości Linuksa: Implikacje i perspektywy dla jądra Linuksa 6.18 i Systemd Poprawki wprowadzone w Linuksie 6.18 są częścią ciągłego doskonalenia wydajności i niezawodności, spełniającego wymagania infrastruktur chmurowych, profesjonalnych stacji roboczych i Internetu Rzeczy. Redukując blokady związane z masowym odczytem plików w Systemd, ta wersja przygotowuje również grunt pod bardziej złożone scenariusze wysokiego obciążenia, powszechne w erze kontenerów, orkiestracji Kubernetes i wysoce dynamicznych rozwiązań serwerowych. Możliwe perspektywy rozwoju:

Dalsza optymalizacja zarządzania metadanymi systemu plików

Wzmocnione mechanizmy zapisu zwrotnego dla operacji asynchronicznych

Rozszerzone wsparcie dla najnowszych architektur sprzętowych, w szczególności Apple Silicon, zgodnie z postępem, takim jak wsparcie dla Apple A11 w Linuksie 6.18

Inicjatywy deweloperów są w synergii z wiodącymi dystrybucjami, takimi jak Canonical, Red Hat, SUSE i Arch Linux, które w pełni skorzystają ze zwiększonej stabilności w swoich nadchodzących wydaniach. Co więcej, prace te, wspierane przez Linux Foundation, pokazują dojrzałość projektów open source w zakresie zarządzania systemami krytycznymi.

Entuzjaści, administratorzy i deweloperzy mają teraz solidniejsze podstawy do wdrażania swoich usług Linux. Droga do coraz wydajniejszego i stabilniejszego Linuksa jest zatem wytyczona przez ukierunkowane poprawki i dogłębne optymalizacje mechaniczne, które stanowią siłę tego ekosystemu.