软中断/tasklet/工作队列

软中断、tasklet和工作队列并不是Linux内核中一直存在的机制，而是由更早版本的内核中的“下半部”（bottom half）演变而来。下半部的机制实际上包括五种，但2.6版本的内核中，下半部和任务队列的函数都消失了，只剩下了前三者。本文重点在于介绍这三者之间的关系。（函数细节将不会在本文中出现，可以参考文献，点这里）

 

（1）上半部和下半部的区别
上半部指的是中断处理程序，下半部则指的是一些虽然与中断有相关性但是可以延后执行的任务。举个例子：在网络传输中，网卡接收到数据包这个事件不一定需要马上被处理，适合用下半部去实现；但是用户敲击键盘这样的事件就必须马上被响应，应该用中断实现。
两者的主要区别在于：中断不能被相同类型的中断打断，而下半部依然可以被中断打断；中断对于时间非常敏感，而下半部基本上都是一些可以延迟的工作。由于二者的这种区别，所以对于一个工作是放在上半部还是放在下半部去执行，可以参考下面四条：
a）如果一个任务对时间非常敏感，将其放在中断处理程序中执行。
b）如果一个任务和硬件相关，将其放在中断处理程序中执行。
c）如果一个任务要保证不被其他中断（特别是相同的中断）打断，将其放在中断处理程序中执行。
d）其他所有任务，考虑放在下半部去执行。

 

（2）为什么要使用软中断？
软中断作为下半部机制的代表，是随着SMP（share memory processor）的出现应运而生的，它也是tasklet实现的基础（tasklet实际上只是在软中断的基础上添加了一定的机制）。软中断一般是“可延迟函数”的总称，有时候也包括了tasklet（请读者在遇到的时候根据上下文推断是否包含tasklet）。它的出现就是因为要满足上面所提出的上半部和下半部的区别，使得对时间不敏感的任务延后执行，而且可以在多个CPU上并行执行，使得总的系统效率可以更高。它的特性包括：
a）产生后并不是马上可以执行，必须要等待内核的调度才能执行。软中断不能被自己打断，只能被硬件中断打断（上半部）。
b）可以并发运行在多个CPU上（即使同一类型的也可以）。所以软中断必须设计为可重入的函数（允许多个CPU同时操作），因此也需要使用自旋锁来保护其数据结构。

 

（3）为什么要使用tasklet？（tasklet和软中断的区别）
由于软中断必须使用可重入函数，这就导致设计上的复杂度变高，作为设备驱动程序的开发者来说，增加了负担。而如果某种应用并不需要在多个CPU上并行执行，那么软中断其实是没有必要的。因此诞生了弥补以上两个要求的tasklet。它具有以下特性：
a）一种特定类型的tasklet只能运行在一个CPU上，不能并行，只能串行执行。
b）多个不同类型的tasklet可以并行在多个CPU上。
c）软中断是静态分配的，在内核编译好之后，就不能改变。但tasklet就灵活许多，可以在运行时改变（比如添加模块时）。
tasklet是在两种软中断类型的基础上实现的，因此如果不需要软中断的并行特性，tasklet就是最好的选择。

 

（4）为什么要使用工作队列work queue？（work queue和软中断的区别）
上面我们介绍的可延迟函数运行在中断上下文中（软中断的一个检查点就是do_IRQ退出的时候），于是导致了一些问题：软中断不能睡眠、不能阻塞。由于中断上下文出于内核态，没有进程切换，所以如果软中断一旦睡眠或者阻塞，将无法退出这种状态，导致内核会整个僵死。但可阻塞函数不能用在中断上下文中实现，必须要运行在进程上下文中，例如访问磁盘数据块的函数。因此，可阻塞函数不能用软中断来实现。但是它们往往又具有可延迟的特性。
因此在2.6版的内核中出现了在内核态运行的工作队列（替代了2.4内核中的任务队列）。它也具有一些可延迟函数的特点（需要被激活和延后执行），但是能够能够在不同的进程间切换，以完成不同的工作。

 

对于softirq，linux kernel中是在中断处理程序执行的，具体的路径为：

1. do_IRQ() --> irq_exit() --> invoke_softirq() --> do_softirq() --> __do_softirq()

在__do_softirq()中有这么一段代码：

1.         do {
2.                 if (pending & 1) {
3.                         h->action(h);
4.                         rcu_bh_qsctr_inc(cpu);
5.                 }
6.                 h++;
7.                 pending >>= 1;
8.         } while (pending);

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你看，这里就是对softirq进行处理了，因为pengding是一个__u32的类型，所以每一位都对应了一种softirq，正好是32种（linux kernel中实际上只使用了前6种 ）.
h->action(h),就是运行softirq的处理函数。

对于tasklet，前面已经说了，是一种特殊的softirq，具体就是第0和第5种softirq，所以说tasklet是基于softirq来实现的。
tasklet既然对应第0和第5种softirq，那么就应该有对应的处理函数，以便h->action()会运行tasklet的处理函数。
我们看代码：

1. softirq.c
3. void __init softirq_init(void)  
4. {
5.         open_softirq(TASKLET_SOFTIRQ, tasklet_action, NULL);
6.         open_softirq(HI_SOFTIRQ, tasklet_hi_action, NULL);
7. }

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这里注册了两种tasklet所在的softirq的处理函数，分别对应高优先级的tasklet和低优先级的tasklet。

我们看低优先级的吧（高优先级的也一样）。

1. static void tasklet_action(struct softirq_action *a)
2. {
3.         struct tasklet_struct *list;
5.         local_irq_disable();
6.         list = __get_cpu_var(tasklet_vec).list;
7.         __get_cpu_var(tasklet_vec).list = NULL;
8.         local_irq_enable();
10.         while (list) {
11.                 struct tasklet_struct *t = list;
13.                 list = list->next;
15.                 if (tasklet_trylock(t)) {
16.                         if (!atomic_read(&t->count)) {
17.                                 if (!test_and_clear_bit(TASKLET_STATE_SCHED, &t->state))
18.                                         BUG();
19.                                 t->func(t->data);
20.                                 tasklet_unlock(t);
21.                                 continue;
22.                         }
23.                         tasklet_unlock(t);
24.                 }
26.                 local_irq_disable();
27.                 t->next = __get_cpu_var(tasklet_vec).list;
28.                 __get_cpu_var(tasklet_vec).list = t;
29.                 __raise_softirq_irqoff(TASKLET_SOFTIRQ);  
30.                 local_irq_enable();
31.         }
32. }

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你看，在运行softirq的处理时（__do_softirq），对于

1.         do {
2.                 if (pending & 1) {
3.                         h->action(h);
4.                         rcu_bh_qsctr_inc(cpu);
5.                 }
6.                 h++;
7.                 pending >>= 1;
8.         } while (pending);

复制代码

如果tasklet有任务需要处理，会运行到h->action()，这个函数指针就会指向tasklet_action()，然后在tasklet_action()里再去执行tasklet对应的各个任务，这些任务都是挂在一个全局链表里面的，具体的代码这里就不分析了。

另外， softirq在smp中是可能被同时运行的，所以softirq的处理函数必须被编写成可重入的函数。
但tasklet是不会在多个cpu之中同时运行的，所以tasklet的处理函数可以编写成不可重入的函数，这样就减轻了编程人员的负担。