处理流程#

中断随时可能发生，发生之后必须马上得到处理。收到中断事件后的处理流程：

1. 抢占当前任务 ：内核必须暂停正在执行的进程；
2. 执行中断处理函数 （ISR）：找到对应的中断处理函数，将 CPU 交给它（执行）； ISR 位于 Interrupt Vector table，这个 table 位于内存中的固定地址。
3. 中断处理完成之后 ：第 1 步被抢占的进程恢复执行。在中断处理完成之后，处理器恢复执行被中断的进程（resume the interrupted process）。

中断类型#

在内核中，发生异常（exception）之后一般是给被中断的进程发送一个 Unix 信号，以此来唤醒它，这也是为什么内核能如此迅速地处理异常的原因。

但对于外部硬件中断，这种方式是不行的，外部中断处理取决于中断的类型：

1. I/O interrupts（ IO 中断 ）; 例如 PCI 总线架构，多个设备共享相同的 IRQ line。必须处理非常快。内核典型处理过程：
   1. 将 IRQ 值和寄存器状态保存到内核栈上（kernel stack）；
   2. 给负责这个 IRQ line 的硬件控制器发送一个确认通知；
   3. 执行与这个设备相关的中断服务例程（ISR）；
   4. 恢复寄存器状态，从中断中返回。
2. Timer interrupts（ 定时器中断 ）;
3. Interprocessor interrupts（IPI， 进程间中断 ）

我们可以输入 sudo dmesg | grep NR_IRQS来看看系统支持的 最大硬中断数量 （与内核编译参数 CONFIG_X86_IO_APIC 有关）：

其中有 16 个是预分配的 IRQs。

MSI（Message Signaled Interrupts）/ MSI-X#

除了预分配中断， 还有另一种称为 Message Signaled Interrupts 的中断，位于 PCI 系统中。

相比于分配一个固定的中断号，它允许设备在特定的内存地址（particular address of RAM, in fact, the display on the Local APIC）记录消息（message）。

• MSI 支持每个设备能分配 1, 2, 4, 8, 16 or 32 个中断，
• MSI-X 支持每个设备分配多达 2048 个中断。

内核函数 request_irq() 注册一个中断处理函数，并启用给定的中断线（enables a given interrupt line）。

可关闭和不可关闭中断#

Maskable interrupts 在 x64_64 上可以用 sti/cli 两个指令来屏蔽（关闭）和恢复：

static inline void native_irq_disable(void) {
        asm volatile("cli": : :"memory"); // 清除 IF 标志位
}

static inline void native_irq_enable(void) {
        asm volatile("sti": : :"memory"); // 设置 IF 标志位
}

在屏蔽期间，Maskable的中断不会再触发新的中断事件。 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，所以在效果上属于 更紧急的类型 。

软中断子系统#

软中断是一个内核子系统。

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； 用 cgroup ls 或者 ps -ef 都能看到。

软中断事件的 handler 提前注册到 softirq 子系统， 注册方式是 open_softirq(softirq_id, handler) 。 例如，注册网卡收发包（RX/TX）软中断处理函数：

 // net/core/dev.c

 open_softirq(NET_TX_SOFTIRQ, net_tx_action);
 open_softirq(NET_RX_SOFTIRQ, net_rx_action);

处理#

kernel/smpboot.c 类似于一个 事件驱动的循环 ，里面会调度到 ksoftirqd 线程，执行 pending 的软中断。ksoftirqd 里面会进一步调用到 __do_softirq。

软中断方式的潜在影响在于，推迟执行部分（比如 softirq）可能会占用较长的时间，在这个时间段内， 用户空间线程只能等待。

反映在 top 里面，就是 si 占比。

不过 softirq 调度循环对此也有改进，通过 budget 机制来避免 softirq 占用过久的 CPU 时间。

    unsigned long end = jiffies + MAX_SOFTIRQ_TIME;
    ...
    restart:
    while ((softirq_bit = ffs(pending))) {
        ...
        h->action(h);   // 这里面其实也有机制，避免 softirq 占用太多 CPU
        ...
    }
    ...
    pending = local_softirq_pending();
    if (pending) {
        if (time_before(jiffies, end) && !need_resched() && --max_restart) // 避免 softirq 占用太多 CPU
            goto restart;
    }
    ...

从硬中断到软中断#

softirq 是一种推迟中断处理机制，将 IRQ 的大部分处理逻辑推迟到了这里执行。 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. 每次硬中断（IRQ）handler 退出时： do_IRQ() -> ...。 do_IRQ() 是内核中最主要的 IRQ 处理方式。它执行结束时，会调用 exiting_irq()，这会展开成 irq_exit()。后者会检查是否有 pending 的 softirq，有的话就唤醒：

    // arch/x86/kernel/irq.c
   
    if (!in_interrupt() && local_softirq_pending())
        invoke_softirq();

   进而会使 CPU 执行到 __do_softirq()。

软中断触发步骤#

每个软中断会经过下面几个阶段：

1. 通过 open_softirq() 注册软中断处理函数；
2. 通过 raise_softirq() 将一个软中断 标记为 deferred interrupt ，这会 唤醒该软中断（但还没有开始处理）；
3. 内核调度器调度到 ksoftirqd 内核线程时，会将所有等待处理的 deferred interrupt （也就是 softirq）拿出来，执行对应的处理方法（softirq handler）；

以收包软中断为例，

• IRQ handler 并不执行 NAPI，只是触发它 ，在里面会执行到 raise NET_RX_SOFTIRQ；
• 真正的执行在 softirq，里面会调用网卡的 poll() 方法收包；
• IRQ handler 中会调用 napi_schedule()，然后启动 NAPI poll()。

这里需要注意，虽然 IRQ handler 做的事情非常少，但是接下来 处理这个包的 softirq 和 IRQ 在同一个 CPU 运行 。 这就是说，如果大量的包都放到了同一个 RX queue，那虽然 IRQ 的开销可能并不多， 但这个 CPU 仍然会非常繁忙，都花在 softirq 上了。 解决方式：RPS。它并不会降低延迟，只是将包重新分发： RXQ -> CPU。

softirq：静态机制，内核编译时确定#

前面已经看到， Linux 在每个 CPU 上会创建一个 ksoftirqd 内核线程。

softirqs 是在 Linux 内核编译时就确定好的，例如网络收包对应的 NET_RX_SOFTIRQ 软中断。 因此是一种 静态机制 。如果想加一种新 softirq 类型，就需要修改并重新编译内核。

在内部是用一个数组（或称向量）来管理的，每个软中断号对应一个 softirq handler。 数组和注册：

// kernel/softirq.c

// NR_SOFTIRQS 是 enum softirq type 的最大值，在 5.10 中是 10，见下面
static struct softirq_action softirq_vec[NR_SOFTIRQS] __cacheline_aligned_in_smp;

void open_softirq(int nr, void (*action)(struct softirq_action *)) {
    softirq_vec[nr].action = action;
}

部分类型的 softirq：

// include/linux/interrupt.h

enum {
    HI_SOFTIRQ=0,          // tasklet
    TIMER_SOFTIRQ,         // timer
    NET_TX_SOFTIRQ,        // networking
    NET_RX_SOFTIRQ,        // networking
    BLOCK_SOFTIRQ,         // IO
    IRQ_POLL_SOFTIRQ,
    TASKLET_SOFTIRQ,       // tasklet
    SCHED_SOFTIRQ,         // schedule
    HRTIMER_SOFTIRQ,       // timer
    RCU_SOFTIRQ,           // lock
    NR_SOFTIRQS
};

也就是在 cat /proc/softirqs 看到的那些，

$ cat /proc/softirqs
                  CPU0     CPU1  ...    CPU46    CPU47
          HI:        2        0  ...        0        1
       TIMER:   443727   467971  ...   313696   270110
      NET_TX:    57919    65998  ...    42287    54840
      NET_RX:    28728  5262341  ...    81106    55244
       BLOCK:      261     1564  ...   268986   463918
    IRQ_POLL:        0        0  ...        0        0
     TASKLET:       98      207  ...      129      122
       SCHED:  1854427  1124268  ...  5154804  5332269
     HRTIMER:    12224    68926  ...    25497    24272
         RCU:  1469356   972856  ...  5961737  5917455

触发（唤醒）softirq 的部分如下：

void raise_softirq(unsigned int nr) {
        local_irq_save(flags);    // 关闭 IRQ
        raise_softirq_irqoff(nr); // 唤醒 ksoftirqd 线程（但执行不在这里，在 ksoftirqd 线程中）
        local_irq_restore(flags); // 打开 IRQ
}

if (!in_interrupt())
    wakeup_softirqd();

static void wakeup_softirqd(void) {
    struct task_struct *tsk = __this_cpu_read(ksoftirqd);

    if (tsk && tsk->state != TASK_RUNNING)
        wake_up_process(tsk);
}

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

tasklet：动态机制，基于 softirq#

如果对内核源码有一定了解就会发现， softirq 用到的地方非常少 ，原因之一就是上面提到的，它是静态编译的， 靠内置的 ksoftirqd 线程来调度内置的那 9 种 softirq。如果想新加一种，就得修改并重新编译内核， 所以开发成本非常高。

实际上，实现推迟执行的 更常用方式 tasklet 。它 构建在 softirq 机制之上 ， 具体来说就是使用了上面提到的两种 softirq：

• HI_SOFTIRQ
• TASKLET_SOFTIRQ

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

void __init softirq_init(void) {
    for_each_possible_cpu(cpu) {
        per_cpu(tasklet_vec, cpu).tail    = &per_cpu(tasklet_vec, cpu).head;
        per_cpu(tasklet_hi_vec, cpu).tail = &per_cpu(tasklet_hi_vec, cpu).head;
    }

    open_softirq(TASKLET_SOFTIRQ, tasklet_action);
    open_softirq(HI_SOFTIRQ, tasklet_hi_action);
}

内核软中断子系统初始化了两个 per-cpu 变量：

• tasklet_vec： 普通 tasklet ，回调 tasklet_action()
• tasklet_hi_vec： 高优先级 tasklet，回调 tasklet_hi_action()

struct tasklet_struct {
        struct tasklet_struct *next;
        unsigned long state;
        atomic_t count;
        void (*func)(unsigned long);
        unsigned long data;
};

tasklet 再执行针对 list 的循环：

static void tasklet_action(struct softirq_action *a)
{
    local_irq_disable();
    list = __this_cpu_read(tasklet_vec.head);
    __this_cpu_write(tasklet_vec.head, NULL);
    __this_cpu_write(tasklet_vec.tail, this_cpu_ptr(&tasklet_vec.head));
    local_irq_enable();

    while (list) {
        if (tasklet_trylock(t)) {
            t->func(t->data);
            tasklet_unlock(t);
        }
        ...
    }
}

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。

workqueue：动态机制，运行在内核进程上下文#

这也是一种推迟执行机制，与 tasklet 有点类似，但也有很大不同。

• tasklet 是运行在 softirq 上下文中；
• workqueue 运行在内核 进程上下文中 ； 这意味着 wq 不能像 tasklet 那样是原子的；
• tasklet 永远运行在指定 CPU ，这是初始化时就确定了的；
• workqueue 默认行为也是这样，但是可以通过配置修改这种行为。

这种机制的使用场景如下：

// Documentation/core-api/workqueue.rst：

There are many cases where an asynchronous process execution context
is needed and the workqueue (wq) API is the most commonly used
mechanism for such cases.

When such an asynchronous execution context is needed, a work item
describing which function to execute is put on a queue.  An
independent thread serves as the asynchronous execution context.  The
queue is called workqueue and the thread is called worker.

While there are work items on the workqueue the worker executes the
functions associated with the work items one after the other.  When
there is no work item left on the workqueue the worker becomes idle.
When a new work item gets queued, the worker begins executing again.

简单来说，workqueue 子系统提供了一个接口，通过这个接口可以 创建内核线程来处理从其他地方 enqueue 过来的任务 。 这些内核线程就称为 worker threads， 内置的 per-cpu worker threads ：

$ systemd-cgls -k | grep kworker
├─    5 [kworker/0:0H]
├─   15 [kworker/1:0H]
├─   20 [kworker/2:0H]
├─   25 [kworker/3:0H]

对应的结构体如下：

// include/linux/workqueue.h

struct worker_pool {
    spinlock_t              lock;
    int                     cpu;
    int                     node;
    int                     id;
    unsigned int            flags;

    struct list_head        worklist;
    int                     nr_workers;
    ...

struct work_struct {
    atomic_long_t data;
    struct list_head entry;
    work_func_t func;
    struct lockdep_map lockdep_map;
};

kworker 线程调度 workqueues，原理与 ksoftirqd 线程调度 softirqs 一样 。 但可以为 workqueue 创建新的线程，而 softirq 则不行。