linux软中断(linux中断处理流程)

Linux 中断( IRQ / softirq )基础:原理及内核实现

中断（IRQ），尤其是软中断（softirq）的广泛用途之一是网络数据包的接收与发送，但其应用场景并非单一。本文将全面整理中断（IRQ）与软中断（softirq）的基础知识，这些内容与网络数据包处理虽无直接联系，但整理本文旨在更深入地理解网络数据包处理机制。

什么是中断？

CPU通过时分复用处理多任务，其中包括硬件任务，如磁盘读写、键盘输入，以及软件任务，如网络数据包处理。CPU在任何时刻只能执行一个任务。当某个硬件或软件任务当前未被执行，但希望CPU立即处理时，会向CPU发送中断请求——希望CPU暂停手头工作，优先服务“我”。中断以事件形式通知CPU，因此常看到“在XX条件下会触发XX中断事件”的表述。

中断分为两类：

管理中断的设备：Advanced Programmable Interrupt Controller（APIC）。

硬中断的中断处理流程

中断随时发生，处理流程如下：

Maskable and non-maskable

Maskable interrupts在x64_64上可以通过sti/cli指令来屏蔽（关闭）和恢复：

在屏蔽期间，这种类型的中断不会触发新的中断事件。大部分IRQ都属于这种类型。例如，网卡的收发包硬件中断。

Non-maskable interrupts不可屏蔽，因此属于更高优先级的类型。

问题：执行速度与逻辑复杂性之间的矛盾

IRQ处理器的两个特点如下：

存在内在矛盾。

解决方式：中断的推迟处理（deferred interrupt handling）

传统解决方式是将中断处理分为两部分：

这种方式称为中断的推迟处理或延后处理。现在已是一个通用术语，涵盖各种推迟执行中断处理的方式。中断分为两部分处理：

在Linux中，有三种推迟中断（deferred interrupts）：

具体细节将在后续介绍。

软中断与软中断子系统

软中断是内核子系统的一部分：

每个CPU上会初始化一个ksoftirqd内核线程，负责处理各种类型的softirq中断事件；

使用cgroup ls或ps-ef都能看到：

软中断事件的handler提前注册到softirq子系统，注册方式为open_softirq(softirq_id, handler)

例如，注册网卡收发包（RX/TX）软中断处理函数：

软中断占用了CPU的总开销：可以使用top查看，第三行倒数第二个指标是系统的软中断开销（si字段）：

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主处理

smpboot.c类似于事件驱动的循环，会调度ksoftirqd线程执行pending的软中断。ksoftirqd内部会进一步调用到__do_softirq，

避免软中断占用过多CPU

软中断的潜在影响：推迟执行的部分（如softirq）可能会占用较长时间，在这段时间内，用户空间线程只能等待。反映在top中，si占比。

不过softirq调度循环对此有所改进，通过budget机制来避免softirq占用过多CPU时间。

硬中断-软中断调用栈

softirq是一种推迟中断处理机制，将IRQ的大部分处理逻辑推迟在这里执行。有两条路径都会执行到softirq主处理逻辑__do_softirq()：

1、CPU调度到ksoftirqd线程时，会执行到__do_softirq()；

2、每次IRQ handler退出时：do_IRQ()->...

do_IRQ是内核中主要的IRQ处理方式。它执行结束时，会调用exiting_irq()，这会展开成irq_exit()。后者会检查是否pending有softirq，如果有，则唤醒：

进而会使CPU执行到__do_softirq。

软中断触发执行的步骤

总结，每个软中断会经过以下阶段：

以收包软中断为例，IRQ handler并不执行NAPI，只是触发它，在内部会执行到raiseNET_RX_SOFTIRQ；真正的执行在softirq，会调用网卡的poll()方法收包。IRQ handler中会调用napi_schedule()，然后启动NAPI poll()。

需要注意的是，虽然IRQ handler所做的工作很少，但处理这个包的softirq和IRQ在同一CPU上运行。这意味着，如果大量的包都放在同一个RX队列，虽然IRQ开销可能不多，但该CPU仍然会非常繁忙，都花费在softirq上。解决方式：RPS。它不会降低延迟，只是将包重新分配：RXQ->CPU。

三种推迟执行方式（softirq/tasklet/workqueue）

提到，Linux中的三种推迟中断执行方式：

其中：

前面已经看到，Linux在每个CPU上创建了一个ksoftirqd内核线程。

softirqs是在Linux内核编译时确定的，例如网络收包对应的NET_RX_SOFTIRQ软中断。因此是一种静态机制。如果想添加一种新softirq类型，需要修改并重新编译内核。

内部组织

内部由一个数组（或称为向量）管理，每个软中断号对应一个softirq handler。数组与注册：

在5.10中所有类型的softirq：

也就是在cat/proc/softirqs看到的哪些。

触发（唤醒）softirq

以收包软中断为例，IRQ handler并不执行NAPI，只是触发它，在内部会执行到raiseNET_RX_SOFTIRQ；真正的执行在softirq，会调用网卡的poll()方法收包。IRQ handler中会调用napi_schedule()，然后启动NAPI poll()。

如果对内核源码有一定了解，会发现softirq使用非常有限，原因之一是它是静态编译的，依赖内置的ksoftirqd线程来调度内置的9种softirq。如果想添加一种新功能，就得修改并重新编译内核，开发成本很高。

实际上，实现推迟执行的更常用方式是tasklet。它构建在softirq机制之上，具体来说就是使用了两种softirq：

换句话说，tasklet是在运行时（runtime）创建和初始化的softirq，

内核软中断子系统初始化了两个per-cpu变量：

tasklet再执行针对list的循环：

tasklet在内核中的使用非常广泛。不过，后面又出现了第三种方式：workqueue。

这也是一种推迟执行机制，与tasklet有些相似，但有显著不同。

使用场景

简而言之，workqueue子系统提供了一个接口，通过该接口可以创建内核线程来处理从其他地方enqueue过来的任务。这些内核线程称为worker threads，内置的per-cpu worker threads：

结构体

kworker线程调度workqueues，原理与ksoftirqd线程调度softirqs类似。然而，我们可以为workqueue创建新的线程，而softirq则不行。

参考资料引用链接

[1]

中断与中断处理：0xax.gitbooks.io/linux-...

作者：赵亚楠原文：arthurchiao.art/blog/li...来源：云原生实验室

linux内核中的软中断和threaded_irq(27)

软中断

软中断（Softirq）在Linux内核中是一种底半部处理机制，通常在顶半部返回时执行。软中断由softirq_action结构体表示，包含处理函数指针和参数。使用open_softirq（）注册，raise_softirq（）触发。软中断和tasklet运行于软中断上下文，属于原子上下文。工作队列运行于进程上下文，因此软中断和tasklet中禁止睡眠，而工作队列允许。

软中断执行的场景包括HI_SOFTIRQ、TIMER_SOFTIRQ、NET_TX_SOFTIRQ、NET_RX_SOFTIRQ、SCSI_SOFTIRQ、TASKLET_SOFTIRQ等。软中断与驱动编写无关，由内核自动管理。

软中断适度线程化，缓解高负载下的系统响应。内核会将大量软中断放入ksoftirqd线程执行。

硬中断、软中断、信号的区别：硬中断由外部设备触发，软中断是中断底半部处理机制，信号是内核或其他进程对进程的中断。软中断概念与通过软件指令引发的中断不同，后者与软中断不是一个概念。

threaded_irq

内核提供request_threaded_irq（）和devm_request_threaded_irq（）用于申请中断。这两个函数多了thread_fn参数，为中断号分配内核线程。中断上下文执行handler函数，内核线程执行thread_fn。如果handler结束时返回IRQ_WAKE_THREAD，内核调度thread_fn执行。支持IRQF_ONESHOT标记，自动屏蔽中断，避免中断服务程序退出后的中断洪泛。

handler参数可设为NULL，由内核使用默认处理函数和IRQF_ONESHOT标记。IRQF_ONESHOT在无法在上半部清除中断时特别有用。

GPIO按键中断

GPIO按键驱动通过request_any_context_irq（）或devm_request_any_context_irq（）申请中断，根据GPIO控制器的中断类型决定使用request_irq（）或request_threaded_irq（）。每个GPIO可能对应多个中断号，但共享一个中断控制器。

在GPIO按键驱动中，中断处理较为简单，不存在顶半部和底半部的明确划分。初始化时，通过INIT_WORK（&bdata->work，gpio_keys_gpio_work_func）初始化工作队列，用于处理按键事件。事件处理函数通过container_of（）解析出对应的GPIO键数据结构。

Linux 内核网络中的软中断有什么作用

深入理解 Linux内核网络中的软中断机制：关键作用与实现

在Linux内核的复杂网络世界中，软中断（Soft Interrupts）作为关键的组件，扮演着不可或缺的角色。它们旨在优化中断处理流程，确保高效地响应网络事件，尤其是数据发送和接收。本文将详细探讨软中断的作用、实现方式以及与tasklet和工作队列的比较。

Linux内核的中断框架分为上半部和下半部，其核心在于提升中断处理效率。上半部中断处理函数迅速响应，保证了中断处理的实时性，而下半部则用于处理耗时较长的任务，避免中断处理被阻塞。当处理对时间敏感或与硬件紧密相关的任务时，上半部是首选；而其他情况，如需要睡眠或重新调度的工作，下半部则可以选择软中断或tasklet。

软中断，作为下半部处理的关键手段，通过内核的softirq_action结构体实现。Linux内核定义了10个软中断，如网络数据发送（NET_TX_SOFTIRQ）和接收（NET_RX_SOFTIRQ）等，这些中断通过open_softirq注册处理函数，并通过raise_softirq触发。为了保证中断处理的稳定性，软中断需要在编译时静态注册，通过softirq_init完成。

相比之下，tasklet是一种更高级的软中断实现，它利用软中断机制，通过tasklet_struct结构体来管理。tasklet允许在中断处理函数中通过tasklet_schedule调度，确保在合适的时间执行。tasklet相比软中断，更便于管理任务的执行，尤其是需要睡眠或重新调度的场景。

工作队列则是另一种在进程上下文中执行的工作调度机制，它将任务交给内核线程处理，支持睡眠和重新调度。如果工作需要这些特性，工作队列是理想的选择。例如，使用work_struct结构体定义工作，初始化后在中断处理函数中通过schedule_work调度。

总结来说，Linux内核网络中的软中断机制是确保高效处理网络事件的关键，通过灵活的上半部中断和下半部的软中断、tasklet和工作队列，内核能够优化中断响应，提升系统的整体性能和稳定性。理解这些机制对于深入开发网络驱动和优化系统性能至关重要。