怎么理解Linux软中断？

怎么理解Linux软中断？

进程的不可中断状态是系统的一种保护机制，可以保证硬件的交互过程不被意外打断。所以，短时间内的不可中断状态是正常的。

当进程长时间处于不可中断状态时，就应该小心，可以使用dstat、pidstat等工具，确认是不是磁盘I/O的问题，进而排查相关的进程和磁盘设备。

一、中断

中断：是系统用来响应硬件设备请求的一种机制，它会打断进程的正常调度和执行，然后调用内核中的中断处理程序来响应设备的请求。

例子1：

比如说你订了一份外卖，但不确定外卖什么时候送到，也没有别的方法了解外卖的进度，但是，配送员送外卖是不等人的，到了你这没人取的话，就直接走人了。所以你只能苦苦等着，时不时取门口看看外卖送到没，而不能干其他事情。

不过，如果在订外卖的时候，你就跟配送员约定好，让他送到后给你打个电话，那你旧不用苦苦等待了，就可以取忙别的事情，直到电话一响，接电话、取外卖旧可以了。

这里的“打电话”，其实就是一个中断。没接到电话的时候，你可以做其他的事情；只有接到电话（也就是发生中断），你才要进行另一个动作：取外卖

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程序的运行，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的运行。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，如果中断要处理的事情很多，中断服务程序就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。

例子2：

假如订了2份外卖，一份主食和一份饮料，并且由2个不提供的配送员来配送。这次你不用时时等着，两份外卖都约定了电话取外卖的方式。

但是当第一份外卖送到时，配送员给你打了个长长的电话，商量发票的处理方式。以此同时，第二个配送员也到了，也想给你打电话。

很明显，因为电话占线（也就是关闭了中断响应），第二个配送员的电话是打不通的。所以，第二个配送员很可能试几次后走掉了（也就是丢失了一次中断）。

二、软中断

事实上，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。

例子1：

比如说前面取外卖的例子，上半部就是你接听电话，告诉配送员你已经知道了，其他事儿见面再说，然后电话就可以挂断了；下半部才是取外卖的动作，以及见面后商量发票处理的动作。

这样，第一个配送员不会占用你太多时间，当第二个配送员过来时，照样能正常打通你的电话。

例子2：

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。你可以自己先想一下，这种情况下的上半部和下半部分别负责什么工作呢？

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。

理解

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​​。

注意：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

proc文件系统：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。

3.1、查看​​/proc/softirqs​​文件内容

可以看到各种类型软中断在不同 CPU 上的累积运行次数

$ 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

在查看​ /proc/softirqs ​文件内容时，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。

另外，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。那要怎么查看这些线程的运行状况呢？

3.2、查看线程的运行状况

$ ps aux | grep softirqroot 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]

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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