软中断

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中断

中断是系统用来响应硬件设备请求的一种机制，它会打断进程的正常调度和执行，然后调用内核中的中断处理程序来响应设备的请求。

中断其实是一种异步的事件处理机制，可以提高系统的并发处理能力。

由于中断处理程序会打断其他进程的运行，所以，为了减少对正常进程运行调度的影响，中断处理程序就需要尽可能快地运行。如果中断本身要做的事情不多，那么处理起来也不会有太大问题；但如果中断要处理的事情很多，中断服务程序就有可能要运行很长时间。

特别是，中断处理程序在响应中断时，还会临时关闭中断。这就会导致上一次中断处理完成之前，其他中断都不能响应，也就是说中断有可能会丢失。

举个例子：你订了 2 份外卖，一份主食和一份饮料，并且是由2个不同的配送员来配送。这次你不用时时等待着，两份外卖都约定了电话取外卖的方式。但是，问题又来了。当第一份外卖送到时，配送员给你打了个长长的电话，商量发票的处理方式。与此同时，第二个配送员也到了，也想给你打电话。但是很明显，因为电话占线（也就是关闭了中断响应），第二个配送员的电话是打不通的。所以，第二个配送员很可能试几次后就走掉了（也就是丢失了一次中断）。

 

软中断

事实上，为了解决中断处理程序执行过长和中断丢失的问题，Linux将中断处理过程分成了两个阶段，也就是上半部和下半部：

• 上半部用来快速处理中断，它在中断禁止模式下运行，主要处理跟硬件紧密相关的或时间敏感的工作。
• 下半部用来延迟处理上半部未完成的工作，通常以内核线程的方式运行。

举个例子：比如说前面取外卖的例子，上半部就是你接听电话，告诉配送员你已经知道了，其他事儿见面再说，然后电话就可以挂断了；下半部才是取外卖的动作，以及见面后商量发票处理的动作。这样，第一个配送员不会占用你太多时间，当第二个配送员过来时，照样能正常打通你的电话。

这两个阶段可以这样理解：

• 上半部直接处理硬件请求，也就是常说的硬中断，特点是快速执行；
• 下半部则是由内核触发，也就是常说的软中断，特点是延迟执行。

实际上，上半部会打断CPU正在执行的任务，然后立即执行中断处理程序。而下半部以内核线程的方式执行，并且每个 CPU 都对应一个软中断内核线程，名字为 “ksoftirqd/CPU编号”，比如说， 0 号CPU对应的软中断内核线程的名字就是 ksoftirqd/0。不过要注意的是，软中断不只包括了刚刚所讲的硬件设备中断处理程序的下半部，一些内核自定义的事件也属于软中断，比如内核调度和RCU锁（Read-Copy Update 的缩写，RCU 是 Linux 内核中最常用的锁之一）等。

 

查看软中断和内核线程

/proc/softirqs 提供了软中断的运行情况；
/proc/interrupts 提供了硬中断的运行情况。

运行下面的命令，查看 /proc/softirqs 文件的内容，可以看到各种类型软中断在不同 CPU 上的累积运行次数：

cat /proc/softirqs

在查看 /proc/softirqs 文件内容时，要特别注意以下这两点。
第一，要注意软中断的类型，软中断包括了10个类别，分别对应不同的工作类型。

• HI:
• TIMER:
• NET_TX:
• NET_RX:
• BLOCK:
• IRQ_POLL:
• TASKLET:
• SCHED:
• HRTIMER:
• RCU:

比如 NET_RX 表示网络接收中断，而 NET_TX 表示网络发送中断。

第二，要注意同一种软中断在不同 CPU 上的分布情况，也就是同一行的内容。正常情况下，同一种中断在不同 CPU 上的累积次数应该差不多。

不过TASKLET 在不同CPU上的分布并不均匀。TASKLET 是最常用的软中断实现机制，每个 TASKLET 只运行一次就会结束 ，并且只在调用它的函数所在的 CPU 上运行。

因此，使用 TASKLET 特别简便，当然也会存在一些问题，比如说由于只在一个CPU上运行导致的调度不均衡，再比如因为不能在多个 CPU 上并行运行带来了性能限制。

另外，软中断实际上是以内核线程的方式运行的，每个 CPU 都对应一个软中断内核线程，这个软中断内核线程就叫做ksoftirqd/CPU编号。
使用 ps 命令就可以做到查看这些线程的运行状况，比如执行下面的指令：

ps aux | grep softirq

Note：

这些线程的名字外面都有中括号，这说明 ps 无法获取它们的命令行参数（cmline）。一般来说，ps 的输出中，名字括在中括号里的，一般都是内核线程。

 

小结

Linux 中的中断处理程序分为上半部和下半部：

• 上半部对应硬件中断，用来快速处理中断。
• 下半部对应软中断，用来异步处理上半部未完成的工作。

Linux 中的软中断包括网络收发、定时、调度、RCU锁等各种类型，可以通过查看 /proc/softirqs 来观察软中断的运行情况。

在 Linux 中，每个 CPU 都对应一个软中断内核线程，名字是 ksoftirqd/CPU编号。当软中断事件的频率过高时，内核线程也会因为CPU 使用率过高而导致软中断处理不及时，进而引发网络收发延迟、调度缓慢等性能问题。

软中断 CPU 使用率过高也是一种最常见的性能问题。虽然软中断的类型很多，但实际生产中，遇到的性能瓶颈大多是网络收发类型的软中断，特别是网络接收的软中断。在碰到这类问题时，可以借用 sar、tcpdump 等工具，做进一步分析。

 

Reference

https://time.geekbang.org/column/article/71868