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  • 怎么理解Linux软中断

    2020-11-28 17:56:55
    这里是学习课程的时候记录的一些学习笔记 一 中断的概念 中断其实是一种异步的事件处理机制,...但如果中断处理的事情很多,中断服务程序就有可能要运行很时间。 特别是,中断处理程序在响应中断时,还会临时关闭

    课程连接https://time.geekbang.org/column/intro/100020901

    这里是学习课程的时候记录的一些学习笔记

    一 中断的概念

    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。

    二 软中断

    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。

    网卡接收到数据包后,会通过硬件中断的方式,通知内核有新的数据到了。这时,内核就应该调用中断处理程序来响应它。

    对上半部来说,既然是快速处理,其实就是要把网卡的数据读到内存中,然后更新一下硬件寄存器的状态(表示数据已经读好了),最后再发送一个软中断信号,通知下半部做进一步的处理。
    而下半部被软中断信号唤醒后,需要从内存中找到网络数据,再按照网络协议栈,对数据进行逐层解析和处理,直到把它送给应用程序。

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

    三 查看软中断和内核线程

    前面提到过的 proc 文件系统。它是一种内核空间和用户空间进行通信的机制,可以用来查看内核的数据结构,或者用来动态修改内核的配置

    • /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。
     cat /proc/softirqs
                        CPU0       
              HI:          1
           TIMER:     817834
          NET_TX:         30
          NET_RX:      38189
           BLOCK:          0
    BLOCK_IOPOLL:          0
         TASKLET:         25
           SCHED:          0
         HRTIMER:          0
             RCU:     782338
    

    在查看 /proc/softirqs 文件内容时,你要特别注意以下这两点。

    • 第一,要注意软中断的类型,也就是这个界面中第一列的内容。从第一列你可以看到,软中断包括了 10 个类别,分别对应不同的工作类型。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。比如这个界面中,NET_RX 在 CPU0 和 CPU1 上的中断次数基本是同一个数量级,相差不大。

    不过你可能发现,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。

    刚刚提到过,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。

     ps aux | grep softirq
    root         3  0.0  0.0      0     0 ?        S    14:13   0:03 [ksoftirqd/0]
    root     12623  0.0  0.0 112668   976 pts/0    R+   17:55   0:00 grep --color=auto softirq
    

    注意,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。

    四 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。
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