作者 | 編程技術宇宙
責編 | Carol
封圖 | CSDN 下載自視覺中國
中斷機制
我是CPU一號車間的阿Q，我又來了！
我們日常的工作就是不斷執行代碼指令，不過這看似簡單的工作背後其實也並不輕鬆。
咱不能悶着頭啥也不管一個勁的只管執行代碼，還得和連接在主板上的其他單位打交道。經常保持聯繫的有鍵盤、鼠標、磁盤，哦對，還有網卡，這傢伙最近把我惹到了，待會再說這事兒。
原以爲內存那傢伙已經夠慢的了，沒想到跟上面這幾位通個信比他更慢，咱CPU工廠的時間一刻值千金，不能幹等着，耽誤工夫。後來廠裏一合計，想了個叫中斷的辦法。
在我們車間裝了個大燈，這些單位想聯繫我們辦事兒，就先給我們發一箇中斷信號，大燈就會自動亮起。我們平時工作執行代碼指令的時候，每執行一條指令就會瞅一眼看看大燈有沒有亮起來。一旦發現燈亮了，就把手頭的工作先放一邊，去處理一下。
我們記性很差的，等會處理了完了還得回來接着原來的活繼續幹，爲了等會回來還能接的起來，走之前得把當前執行的這個線程的各個寄存器的值，執行到哪裏了等等這些信息都保存在這個線程的棧裏去。
不過有時候我們在執行非常重要的事情的時候，就不想被他們打斷。於是我們又在車間裏那個eflags寄存器中設置了一個標記，如果是1我們才允許被打斷，如果是0那就算天王老子找我們也不管了。
哦不對，還有一種不可以屏蔽的中斷NMI，走得是綠色通道。不過我可不期望有這種事情發生，因爲一般都沒有好事，不是電源斷電就是溫度過高，或者總線出了錯誤等這之類嚴重的事情。
8259A PIC
還有一個問題，找我們辦事兒的單位有很多，我們得要區分開來，到底是誰來消息了，而且要是他們一起來找，按什麼樣優先級順序處理，也是一件頭疼的事情。
爲此，廠裏單獨組建了一個全資的子公司來負責這事兒，他就是可編程中斷控制器PIC，外號8259A，其他單位想聯繫我們都得通過這個PIC，我們只需要和PIC進行對接就可以了。
我們給辦事單位都分配了一個編號，叫做中斷向量。我們還準備了一個表格叫中斷描述符表IDT，表格裏記錄了很多信息，其中就有處理這個中斷號對應的函數地址。我們找PIC拿到編號後就執行處理函數就OK了。
這個表格有點大，足足有256項，咱CPU車間空間有限，放不下，就把它放在內存那傢伙那裏了，爲了能快速找到這個表，專門添置了一個叫idtr的寄存器指向這個表格。
其實除了中斷，我們在執行指令的時候如果遇到了異常情況，也會去這個表裏執行異常處理函數，最常見的比如遇到了除數是0，內存地址錯誤等等情況。
這種情況下，我們必須主動放下手裏的活，去處理異常，所以我們也說異常是同步的，而中斷不知道什麼時候發生，所以是異步的。
APIC
8259A乾的挺不錯的，不過後來咱們廠擴大規模，從單核CPU變成了多核，他就有點應付不過來了。
終於有一天，廠裏召開會議，把8259A給撤了，成立了一個新的全資子公司叫高級可編程中斷控制器APIC，名字就多了個高級兩個字，乾的活還是一樣的。
不過你還別說，這兩個字還真不是吹噓，比8259A不知道高到哪裏去了。
這個APIC的新公司一上臺，就成立了兩個部門，一個叫I/O APIC，負責接待那些要找我們辦事兒的單位，一個叫Local APIC，以外包的形式入駐到我CPU的各個車間工作，因爲就挨着我們辦公，所以取名叫Local。
I/O APIC收到中斷信號以後，根據自己的策略就分發到對應的Local APIC，咱們八個車間就可以專心處理了，爲我們省了不少事兒。
不僅如此，通過這個外包團隊，我們八個車間還能向彼此發起中斷請求，我們把這個叫做處理器間中斷Inter-Processor Interrupt，簡稱IPI。
每當網絡中有數據包到來，網卡那傢伙就發送一箇中斷消息過來，告訴我們去處理。
不過最近不知道怎麼回事，網絡數據量激增。咱們廠裏明明有8個車間，他非得一個勁的只給我們發消息，搞得我們手頭的工作老是被打斷，忙得不可開交。
終於，我忍不住了，去找網卡那傢伙理論了一番。不過他告訴我，這也不能怪他，分發給誰處理，那是APIC在負責。
想想也是，回頭我就去了APIC那裏，要求他們分攤一點給別的車間處理。
APIC表示這他們做不了主，得讓廠裏來決定。
沒過幾天，廠裏開了個會，參會的有各車間代表、APIC負責人，還請了操作系統那邊的相關代表過來。
會上，大家爲了此事爭執不休。
二號車間虎子：“阿Q，誰叫你們一號車間是Bootstrap Processor，你們就多辛苦一點嘛”
三號車間代表：“你這話說的不合適，大家是一個Team，要互相幫助！要不這樣，既然有這麼多單位要聯繫我們，咱就分下工，比如一號車間負責網卡，二號負責磁盤，我們三號負責鍵盤，以此類推”
五號車間代表：“你想的倒是挺美哦，鍵盤一天能發多少中斷，網卡一天要發多少中斷，你淨挑輕鬆的幹。這樣吧，咱就用隨機分發進行負載均衡你們覺得怎麼樣？”
八號車間代表：“隨機個啥啊，多麻煩，依我看吶咱8個車間就輪流來唄”
這時，領導問操作系統代表有沒有什麼建議。
這代表站起身來，推了推眼鏡說到：“幾位有沒有聽過線程的CPU親和性？”
大家都搖了搖頭，問到：“這是個什麼意思？”
“就是有些線程想綁定在你們之中的某一個核上面執行，不希望一會兒在這個核執行，一會兒在那個核執行”
我接過他的話：“好像是有這麼回事兒，之前有遇到過，有個線程一直被分配到我們一號車間，不過我們對這個不用關心吧，執行誰不是幹活啊，對我們都一個樣”
代表搖了搖頭，“唉，這可不一樣！你們每個核的一二級緩存都是自己在管理，要是換到別的核，這緩存多半就沒用了，又得重新來建立，這換來換去的豈不是瞎耽誤功夫嘛！對於一般的線程他們倒是不關心，但是有些線程執行大量的內存訪問和運算處理，又對性能要求很高的話，那就很在意這個問題了”
我們幾個都恍然大悟，紛紛點頭。
虎子起身問到：“那你們是如何實現這個親和性的呢？這跟我們今天的會議又有什麼關係呢？”
代表繼續回答說到：“我先回答你的第一個問題。線程調度是我們操作系統完成的工作，我們提供了API接口，線程通過調用這些接口表明自己的親和性意願，我們在調度的時候就能按照他們的意願把線程分配給你們來執行。”
代表喝了一口水接着說到：“我再回答你的第二個問題。既然線程可以有親和性，那中斷也可以按照這個思路來分發啊！APIC默認有一套分發策略，但是也提供親和性的設置，可以指定誰哪些核來處理，這樣不用把規矩定死，靈活可變，豈不更好？”
剛說完，會議室門口突然出現一年輕少年，揮手將操作系統代表喚了出去。
接下來，我們詳細討論了這種方案的可行性，最後大家一致決定，就照這麼辦，我們一起提出了一個叫中斷親和性的東西，操作系統那邊提供一個可配置的入口smp_affinity，可以通過設置各處理器核的掩碼來決定中斷交由誰來處理，APIC回去負責落地支持。
有了這套方案，再遇到網絡高峯期，咱們一號車間的壓力就有辦法緩解了。
我們剛剛達成一致，操作系統代表返回會議室，神色凝重的說到：“不好意思各位，操作系統那邊有點事情需要趕回去處理一下，先走一步了”
未完待續······
彩蛋
隨着網卡的一聲中斷，一個新的數據包來到了這片土地。
帝國網絡部新來的年輕人顯然沒有意識到危險的到來······
預知後事如何，請關注後續精彩······
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