軟中斷

從“取外賣”看中斷

????????假如說你訂了一份外賣,但是不確定外賣什么時候送到,也沒有別的方法了解外賣的進度,但是,配送員送外賣是不等人的,到了你這兒沒人取的話,就直接走人了。所以你只能苦苦等著,時不時去門口看看外賣送到沒,而不能干其他事情。

????????不過呢,如果在訂外賣的時候,你就跟配送員約定好,讓他送到后給你打個電話,那你就不用苦苦等待了,就可以去忙別的事情,直到電話一響,接電話、取外賣就可以了。

????????這里的“打電話”,其實就是一個中斷。沒接到電話的時候,你可以做其他的事情;只有接到了電話(也就是發生中斷),你才要進行另一個動作:取外賣。

????????這個例子你就可以發現,中斷其實是一種異步的事件處理機制,可以提高系統的并發處理能力

????????由于中斷處理程序會打斷其他進程的運行,所以,為了減少對正常進程運行調度的影響,中斷處理程序就需要盡可能快地運行。如果中斷本身要做的事情不多,那么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。

????????特別是,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。

????????那么還是以取外賣為例。假如你訂了 2 份外賣,一份主食和一份飲料,并且是由 2 個不同的配送員來配送。這次你不用時時等待著,兩份外賣都約定了電話取外賣的方式。但是,問題又來了。

????????當第一份外賣送到時,配送員給你打了個長長的電話,商量發票的處理方式。與此同時,第二個配送員也到了,也想給你打電話。

????????但是很明顯,因為電話占線(也就是關閉了中斷響應),第二個配送員的電話是打不通的。所以,第二個配送員很可能試幾次后就走掉了(也就是丟失了一次中斷)。

軟中斷

????????如果你弄清楚了“取外賣”的模式,那對系統的中斷機制就很容易理解了。事實上,為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

????????比如說前面取外賣的例子,上半部就是你接聽電話,告訴配送員你已經知道了,其他事兒見面再說,然后電話就可以掛斷了;下半部才是取外賣的動作,以及見面后商量發票處理的動作。

????????這樣,第一個配送員不會占用你太多時間,當第二個配送員過來時,照樣能正常打通你的電話。

????????除了取外賣,我再舉個最常見的網卡接收數據包的例子,讓你更好地理解。

????????網卡接收到數據包后,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。你可以自己先想一下,這種情況下的上半部和下半部分別負責什么工作呢?

????????對上半部來說,既然是快速處理,其實就是要把網卡的數據讀到內存中,然后更新一下硬件寄存器的狀態(表示數據已經讀好了),最后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后,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。

????????所以,這兩個階段你也可以這樣理解:

????????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。

????????實際上,上半部會打斷 CPU 正在執行的任務,然后立即執行中斷處理程序。而下半部以內核線程的方式執行,并且每個 CPU 都對應一個軟中斷內核線程,名字為 “ksoftirqd/CPU 編號”,比如說, 0 號 CPU 對應的軟中斷內核線程的名字就是 ksoftirqd/0。可以使用ps aux | grep softirq查看。

查看軟中斷

????????proc 文件系統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。其中:

????????/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

? ? ? ? 如下圖所示:

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