【linux性能優化】09-如何理解軟中斷

中斷的概念

中斷是系統用來響應硬件設備請求的一種機制，它會打斷進程的正常調度和執行，然後調用內核中的中斷處理程序來響應設備的請求。
中斷其實是一種異步的事件處理機制，可以提高系統的併發處理能力。由於中斷處理程序會打斷其他進程的運行，所以，爲了減少對正常進程運行調度的影響，中斷處理程序就需要儘可能快地運行。如果中斷本身要做的事情不多，那麼處理起來也不會有太大問題；但如果中斷要處理的事情很多，中斷服務程序就有可能要運行很長時間。
中斷處理程序在響應中斷時，還會臨時關閉中斷。這就會導致上一次中斷處理完成之前，其他中斷都不能響應，也就是說中斷有可能會丟失。

軟中斷

爲了解決中斷處理程序執行過長和中斷丟失的問題，Linux 將中斷處理過程分成了兩個階段，也就是上半部和下半部：

• 上半部用來快速處理中斷，它在中斷禁止模式下運行，主要處理跟硬件緊密相關的或時間敏感的工作。
• 下半部用來延遲處理上半部未完成的工作，通常以內核線程的方式運行。
  這裏以網卡接收數據包的過程爲例來說明：
  網卡接收到數據包後，會通過硬件中斷的方式，通知內核有新的數據到了。這時，內核就應該調用中斷處理程序來響應它。
  對於中斷上半部來說，既然是快速處理，其實就是要把網卡的數據讀到內存中，然後更新一下硬件寄存器的狀態（表示數據已經讀好了），最後再發送一個軟中斷信號，通知下半部做進一步的處理。
  而下半部被軟中斷信號喚醒後，需要從內存中找到網絡數據，再按照網絡協議棧，對數據進行逐層解析和處理，直到把它送給應用程序。
• 上半部直接處理硬件請求，也就是我們常說的硬中斷，特點是快速執行；
• 而下半部則是由內核觸發，也就是我們常說的軟中斷，特點是延遲執行。
  軟中斷不只包括了剛剛所講的硬件設備中斷處理程序的下半部，一些內核自定義的事件也屬於軟中斷，比如內核調度和 RCU 鎖（Read-Copy Update 的縮寫，RCU 是 Linux 內核中最常用的鎖之一）等。

如何查看軟中斷和內核線程

Linux內核的proc 文件系統，它是一種內核空間和用戶空間進行通信的機制，可以用來查看內核的數據結構，或者用來動態修改內核的配置。

• /proc/softirqs 提供了軟中斷的運行情況；
• /proc/interrupts 提供了硬中斷的運行情況
  下面是我的系統上中斷運行情況：
  
  下面是我的系統上軟中斷運行情況：

$ cat /proc/softirqs
                    CPU0       CPU1
          HI:          0          0
       TIMER:     811613    1972736
      NET_TX:         49          7
      NET_RX:    1136736    1506885
       BLOCK:          0          0
    IRQ_POLL:          0          0
     TASKLET:     304787       3691
       SCHED:     689718    1897539
     HRTIMER:          0          0
         RCU:    1330771    1354737

查看 /proc/softirqs 文件內容時，需要注意以下這兩點：

1. 軟中斷的類型。從第一列可以看到，軟中斷包括了 10 個類別，分別對應不同的工作類型。
2. 同一種軟中斷在不同 CPU 上的分佈情況，也就是同一行的內容。正常情況下，同一種中斷在不同 CPU 上的累積次數應該差不多。

軟中斷實際上是以內核線程的方式運行的，每個 CPU 都對應一個軟中斷內核線程，這個軟中斷內核線程就叫做 ksoftirqd/CPU 編號。可以通過下面的命令來查詢：

$ ps aux | grep softirq
root         7  0.0  0.0      0     0 ?        S    Oct10   0:01 [ksoftirqd/0]
root        16  0.0  0.0      0     0 ?        S    Oct10   0:01 [ksoftirqd/1]

小結

Linux中的中斷處理程序分爲上半部和下半部：

• 上半部對應硬件中斷，用來快速處理中斷

• 下半部對應軟中斷，用來異步處理上半部未完成的工作。

Linux中的軟中斷包括網絡收發、定時、調度、RCU鎖等各種類型，可以通過查看/proc/softirqs來觀察軟中斷的運行情況。