Linux 內核軟中斷(softirq)執行分析

今天無意中看了眼 2.6 內核的軟中斷實現，發現和以前我看到的大不相同
（以前也是走馬觀花，不大仔細），可以說改動很大。連 softirq 的調用
點都不一樣了，以前是三個調用點，今天搜索了一下源代碼，發現在多出了
ksoftirqd 這個東西后，softirq 在系統中的調用點僅是在 ISR 返回時和
使用了 local_bh_enable() 函數後被調用了。網卡部分的顯示調用，我覺
得應該不算是系統中的調用點。ksoftirqd 返回去調用 do_softirq() 函數
應該也只能算是其中的一個分支，因爲其本身從源頭上來講也還是在 ISR 返
回時 irq_exit() 調用的。這樣一來就和前些日子寫的那份筆記
（Windows/Linux/Solaris 軟中斷機制）裏介紹的 Linux 內核部分的軟中
斷有出處了，看來以後討論 Linux kernel 代碼一定要以內核版本爲前題來
說，要不非亂了不可。看來得買本 Linux 方面的書了，每次上來直接看相
關代碼也不是回事，時間也不允許。


linux kernel source 2.6.19.1
/kernel/softirq.c

//
// do_IRQ 函數執行完硬件 ISR 後退出時調用此函數。
//

void irq_exit(void)
{
account_system_vtime(current);
trace_hardirq_exit();
sub_preempt_count(IRQ_EXIT_OFFSET);

//
// 判斷當前是否有硬件中斷嵌套，並且是否有軟中斷在
// pending 狀態，注意：這裏只有兩個條件同時滿足
// 時，纔有可能調用 do_softirq() 進入軟中斷。也就是
// 說確認當前所有硬件中斷處理完成，且有硬件中斷安裝了
// 軟中斷處理時理時纔會進入。
//
if (!in_interrupt() && local_softirq_pending())

//
// 其實這裏就是調用 do_softirq() 執行
//
invoke_softirq();
preempt_enable_no_resched();
}


#ifndef __ARCH_HAS_DO_SOFTIRQ

asmlinkage void do_softirq(void)
{
__u32 pending;
unsigned long flags;

//
// 這個函數判斷，如果當前有硬件中斷嵌套，或者
// 有軟中斷正在執行時候，則馬上返回。在這個
// 入口判斷主要是爲了與 ksoftirqd 互斥。
//
if (in_interrupt())
return;

//
// 關中斷執行以下代碼
//
local_irq_save(flags);

//
// 判斷是否有 pending 的軟中斷需要處理。
//
pending = local_softirq_pending();

//
// 如果有則調用 __do_softirq() 進行實際處理
//
if (pending)
__do_softirq();

//
// 開中斷繼續執行
//
local_irq_restore(flags);
}


//
// 最大軟中斷調用次數爲 10 次。
//

#define MAX_SOFTIRQ_RESTART 10

asmlinkage void __do_softirq(void)
{
//
// 軟件中斷處理結構，此結構中包括了 ISR 中
// 註冊的回調函數。
//
struct softirq_action *h;
__u32 pending;
int max_restart = MAX_SOFTIRQ_RESTART;
int cpu;

//
// 得到當前所有 pending 的軟中斷。
//
pending = local_softirq_pending();
account_system_vtime(current);

//
// 執行到這裏要屏蔽其他軟中斷，這裏也就證明了
// 每個 CPU 上同時運行的軟中斷只能有一個。
//
__local_bh_disable((unsigned long)__builtin_return_address(0));
trace_softirq_enter();

//
// 針對 SMP 得到當前正在處理的 CPU
//
cpu = smp_processor_id();
//
// 循環標誌
//
restart:
//
// 每次循環在允許硬件 ISR 強佔前，首先重置軟中斷
// 的標誌位。
//
/* Reset the pending bitmask before enabling irqs */
set_softirq_pending(0);

//
// 到這裏纔開中斷運行，注意：以前運行狀態一直是關中斷
// 運行，這時當前處理軟中斷纔可能被硬件中斷搶佔。也就
// 是說在進入軟中斷時不是一開始就會被硬件中斷搶佔。只有
// 在這裏以後的代碼纔可能被硬件中斷搶佔。
//
local_irq_enable();

//
// 這裏要注意，以下代碼運行時可以被硬件中斷搶佔，但
// 這個硬件 ISR 執行完成後，它的所註冊的軟中斷無法馬上運行，
// 別忘了，現在雖是開硬件中斷執行，但前面的 __local_bh_disable()
// 函數屏蔽了軟中斷。所以這種環境下只能被硬件中斷搶佔，但這
// 個硬中斷註冊的軟中斷回調函數無法運行。要問爲什麼，那是因爲
// __local_bh_disable() 函數設置了一個標誌當作互斥量，而這個
// 標誌正是上面的 irq_exit() 和 do_softirq() 函數中的
// in_interrupt() 函數判斷的條件之一，也就是說 in_interrupt()
// 函數不僅檢測硬中斷而且還判斷了軟中斷。所以在這個環境下觸發
// 硬中斷時註冊的軟中斷，根本無法重新進入到這個函數中來，只能
// 是做一個標誌，等待下面的重複循環（最大 MAX_SOFTIRQ_RESTART）
// 纔可能處理到這個時候觸發的硬件中斷所註冊的軟中斷。
//


//
// 得到軟中斷向量表。
//
h = softirq_vec;

//
// 循環處理所有 softirq 軟中斷註冊函數。
//
do {
//
// 如果對應的軟中斷設置 pending 標誌則表明
// 需要進一步處理它所註冊的函數。
//
if (pending & 1) {
//
// 在這裏執行了這個軟中斷所註冊的回調函數。
//
h->action(h);
rcu_bh_qsctr_inc(cpu);
}
//
// 繼續找，直到把軟中斷向量表中所有 pending 的軟
// 中斷處理完成。
//
h++;

//
// 從代碼裏可以看出按位操作，表明一次循環只
// 處理 32 個軟中斷的回調函數。
//
pending >>= 1;
} while (pending);

//
// 關中斷執行以下代碼。注意：這裏又關中斷了，下面的
// 代碼執行過程中硬件中斷無法搶佔。
//
local_irq_disable();

//
// 前面提到過，在剛纔開硬件中斷執行環境時只能被硬件中斷
// 搶佔，在這個時候是無法處理軟中斷的，因爲剛纔開中
// 斷執行過程中可能多次被硬件中斷搶佔，每搶佔一次就有可
// 能註冊一個軟中斷，所以要再重新取一次所有的軟中斷。
// 以便下面的代碼進行處理後跳回到 restart 處重複執行。
//
pending = local_softirq_pending();

//
// 如果在上面的開中斷執行環境中觸發了硬件中斷，且每個都
// 註冊了一個軟中斷的話，這個軟中斷會設置 pending 位，
// 但在當前一直屏蔽軟中斷的環境下無法得到執行，前面提
// 到過，因爲 irq_exit() 和 do_softirq() 根本無法進入到
// 這個處理過程中來。這個在上面詳細的記錄過了。那麼在
// 這裏又有了一個執行的機會。注意：雖然當前環境一直是
// 處於屏蔽軟中斷執行的環境中，但在這裏又給出了一個執行
// 剛纔在開中斷環境過程中觸發硬件中斷時所註冊的軟中斷的
// 機會，其實只要理解了軟中斷機制就會知道，無非是在一些特
// 定環境下調用 ISR 註冊到軟中斷向量表裏的函數而已。
//

//
// 如果剛纔觸發的硬件中斷註冊了軟中斷，並且重複執行次數
// 沒有到 10 次的話，那麼則跳轉到 restart 標誌處重複以上
// 所介紹的所有步驟：設置軟中斷標誌位，重新開中斷執行...
// 注意：這裏是要兩個條件都滿足的情況下才可能重複以上步驟。
//
if (pending && --max_restart)
goto restart;

//
// 如果以上步驟重複了 10 次後還有 pending 的軟中斷的話，
// 那麼系統在一定時間內可能達到了一個峯值，爲了平衡這點。
// 系統專門建立了一個 ksoftirqd 線程來處理，這樣避免在一
// 定時間內負荷太大。這個 ksoftirqd 線程本身是一個大循環，
// 在某些條件下爲了不負載過重，它是可以被其他進程搶佔的，
// 但注意，它是顯示的調用了 preempt_xxx() 和 schedule()
// 纔會被搶佔和切換的。這麼做的原因是因爲在它一旦調用
// local_softirq_pending() 函數檢測到有 pending 的軟中斷
// 需要處理的時候，則會顯示的調用 do_softirq() 來處理軟中
// 斷。也就是說，下面代碼喚醒的 ksoftirqd 線程有可能會回
// 到這個函數當中來，尤其是在系統需要響應很多軟中斷的情況
// 下，它的調用入口是 do_softirq()，這也就是爲什麼在 do_softirq()
// 的入口處也會用 in_interrupt() 函數來判斷是否有軟中斷
// 正在處理的原因了，目的還是爲了防止重入。ksoftirqd 實現
// 看下面對 ksoftirqd() 函數的分析。
//
if (pending)

//
// 此函數實際是調用 wake_up_process() 來喚醒 ksoftirqd
//
wakeup_softirqd();

trace_softirq_exit();

account_system_vtime(current);

//
// 到最後纔開軟中斷執行環境，允許軟中斷執行。注意：這裏
// 使用的不是 local_bh_enable()，不會再次觸發 do_softirq()
// 的調用。
//
_local_bh_enable();
}



static int ksoftirqd(void * __bind_cpu)
{

//
// 顯示調用此函數設置當前進程的靜態優先級。當然，
// 這個優先級會隨調度器策略而變化。
//
set_user_nice(current, 19);

//
// 設置當前進程不允許被掛啓
//
current->flags |= PF_NOFREEZE;

//
// 設置當前進程狀態爲可中斷的狀態，這種睡眠狀
// 態可響應信號處理等。
//
set_current_state(TASK_INTERRUPTIBLE);

//
// 下面是一個大循環，循環判斷當前進程是否會停止，
// 不會則繼續判斷當前是否有 pending 的軟中斷需
// 要處理。
//
while (!kthread_should_stop()) {

//
// 如果可以進行處理，那麼在此處理期間內禁止
// 當前進程被搶佔。
//
preempt_disable();

//
// 首先判斷系統當前沒有需要處理的 pending 狀態的
// 軟中斷
//
if (!local_softirq_pending()) {

//
// 沒有的話在主動放棄 CPU 前先要允許搶佔，因爲
// 一直是在不允許搶佔狀態下執行的代碼。
//
preempt_enable_no_resched();

//
// 顯示調用此函數主動放棄 CPU 將當前進程放入睡眠隊列，
// 並切換新的進程執行（調度器相關不記錄在此）
//
schedule();

//
// 注意：如果當前顯示調用 schedule() 函數主動切換的進
// 程再次被調度執行的話，那麼將從調用這個函數的下一條
// 語句開始執行。也就是說，在這裏當前進程再次被執行的
// 話，將會執行下面的 preempt_disable() 函數。
//

//
// 當進程再度被調度時，在以下處理期間內禁止當前進程
// 被搶佔。
//
preempt_disable();
}

//
// 設置當前進程爲運行狀態。注意：已經設置了當前進程不可搶佔
// 在進入循環後，以上兩個分支不論走哪個都會執行到這裏。一是
// 進入循環時就有 pending 的軟中斷需要執行時。二是進入循環時
// 沒有 pending 的軟中斷，當前進程再次被調度獲得 CPU 時繼續
// 執行時。
//
__set_current_state(TASK_RUNNING);

//
// 循環判斷是否有 pending 的軟中斷，如果有則調用 do_softirq()
// 來做具體處理。注意：這裏又是一個 do_softirq() 的入口點，
// 那麼在 __do_softirq() 當中循環處理 10 次軟中斷的回調函數
// 後，如果還有 pending 的話，會又調用到這裏。那麼在這裏則
// 又會有可能去調用 __do_softirq() 來處理軟中斷回調函數。在前
// 面介紹 __do_softirq() 時已經提到過，處理 10 次還處理不完的
// 話說明系統正處於繁忙狀態。根據以上分析，我們可以試想如果在
// 系統非常繁忙時，這個進程將會與 do_softirq() 相互交替執行，
// 這時此進程佔用 CPU 應該會很高，雖然下面的 cond_resched()
// 函數做了一些處理，它在處理完一輪軟中斷後當前處理進程可能會
// 因被調度而減少 CPU 負荷，但是在非常繁忙時這個進程仍然有可
// 能大量佔用 CPU。
//
while (local_softirq_pending()) {
/* Preempt disable stops cpu going offline.
If already offline, we'll be on wrong CPU:
don't process */
if (cpu_is_offline((long)__bind_cpu))

//
// 如果當前被關聯的 CPU 無法繼續處理則跳轉
// 到 wait_to_die 標記出，等待結束並退出。
//
goto wait_to_die;

//
// 執行 do_softirq() 來處理具體的軟中斷回調函數。注
// 意：如果此時有一個正在處理的軟中斷的話，則會馬上
// 返回，還記得前面介紹的 in_interrupt() 函數麼。
//
do_softirq();

//
// 允許當前進程被搶佔。
//
preempt_enable_no_resched();

//
// 這個函數有可能間接的調用 schedule() 來切換當前
// 進程，而且上面已經允許當前進程可被搶佔。也就是
// 說在處理完一輪軟中斷回調函數時，有可能會切換到
// 其他進程。我認爲這樣做的目的一是爲了在某些負載
// 超標的情況下不至於讓這個進程長時間大量的佔用 CPU，
// 二是讓在有很多軟中斷需要處理時不至於讓其他進程
// 得不到響應。
//
cond_resched();

//
// 禁止當前進程被搶佔。
//
preempt_disable();

//
// 處理完所有軟中斷了嗎？沒有的話繼續循環以上步驟
//
}

//
// 待一切都處理完成後，允許當前進程被搶佔，並設置
// 當前進程狀態爲可中斷狀態，繼續循環以上所有過程。
//
preempt_enable();
set_current_state(TASK_INTERRUPTIBLE);
}

//
// 如果將會停止則設置當前進程爲運行狀態後直接返回。
// 調度器會根據優先級來使當前進程運行。
//
__set_current_state(TASK_RUNNING);
return 0;

//
// 一直等待到當前進程被停止
//
wait_to_die:

//
// 允許當前進程被搶佔。
//
preempt_enable();
/* Wait for kthread_stop */

//
// 設置當前進程狀態爲可中斷的狀態，這種睡眠狀
// 態可響應信號處理等。
//
set_current_state(TASK_INTERRUPTIBLE);

//
// 判斷當前進程是否會被停止，如果不是的話
// 則設置進程狀態爲可中斷狀態並放棄當前 CPU
// 主動切換。也就是說這裏將一直等待當前進程
// 將被停止時候才結束。
//
while (!kthread_should_stop()) {
schedule();
set_current_state(TASK_INTERRUPTIBLE);
}

//
// 如果將會停止則設置當前進程爲運行狀態後直接返回。
// 調度器會根據優先級來使當前進程運行。
//
__set_current_state(TASK_RUNNING);
return 0;
}