Linux 的中断

Question

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。

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。

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。

所以，这两个阶段你也可以这样理解：

• 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；
• 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。

$ ps -ef | grep ksoft
root         6     2  0 Mar21 ?        00:00:02 [ksoftirqd/0]
root        14     2  0 Mar21 ?        00:00:01 [ksoftirqd/1]

不过要注意的是，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。

查看软中断和内核线程

/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

软中断

$ 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

TIMER（定时中断）、NET_RX（网络接收）、SCHED（内核调度）、RCU（RCU 锁）、HRTIMER（高精度定时中断）

Linux 对应代码： https://github.com/torvalds/linux/blob/master/kernel/softirq.c

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。

硬中断

$ cat /proc/interrupts 
           CPU0       CPU1       CPU2       CPU3       
  0:         88          0          0          0   IO-APIC-edge      timer
  1:         10          0          0          0   IO-APIC-edge      i8042
  4:        387          0          0          0   IO-APIC-edge      serial
  6:          3          0          0          0   IO-APIC-edge      floppy
  8:          0          0          0          0   IO-APIC-edge      rtc0
  9:          0          0          0          0   IO-APIC-fasteoi   acpi
 11:          0          0          0          0   IO-APIC-fasteoi   uhci_hcd:usb1, virtio3
 12:         15          0          0          0   IO-APIC-edge      i8042
 14:    5740446          0          0          0   IO-APIC-edge      ata_piix
 15:          0          0          0          0   IO-APIC-edge      ata_piix
 24:          0          0          0          0   PCI-MSI-edge      virtio1-config
 25:    3500134          0          0          0   PCI-MSI-edge      virtio1-req.0
 26:         10          0          0          0   PCI-MSI-edge      virtio0-config
 27:    5247204          0          0          0   PCI-MSI-edge      virtio0-input.0
 28:          1          0          0          0   PCI-MSI-edge      virtio0-output.0
 29:          1    1418195          0          0   PCI-MSI-edge      virtio0-input.1
 30:          1          0          0          0   PCI-MSI-edge      virtio0-output.1
 31:          0          0          0          0   PCI-MSI-edge      virtio2-config
 32:        343          0          0          0   PCI-MSI-edge      virtio2-req.0
NMI:          0          0          0          0   Non-maskable interrupts
LOC: 2042612769 2050632044 2142235299 2060435236   Local timer interrupts
SPU:          0          0          0          0   Spurious interrupts
PMI:          0          0          0          0   Performance monitoring interrupts
IWI:    2348982    2289698    2460465    2782274   IRQ work interrupts
RTR:          0          0          0          0   APIC ICR read retries
RES:  230140174  230306549  226814157  234389987   Rescheduling interrupts
CAL:     227698     879972    2463898    2574255   Function call interrupts
TLB:    3165491    3151019    3106008    3074399   TLB shootdowns
TRM:          0          0          0          0   Thermal event interrupts
THR:          0          0          0          0   Threshold APIC interrupts
DFR:          0          0          0          0   Deferred Error APIC interrupts
MCE:          0          0          0          0   Machine check exceptions
MCP:      19593      19593      19593      19593   Machine check polls
ERR:          0
MIS:          0
PIN:          0          0          0          0   Posted-interrupt notification event
NPI:          0          0          0          0   Nested posted-interrupt event
PIW:          0          0          0          0   Posted-interrupt wakeup event

/proc/interrupts 依次显示 irq 编号，每个 cpu 对该 irq 的处理次数，中断控制器的名字，irq 的名字，以及驱动程序注册该 irq 时使用的名字

/proc/irq 目录下面会为每个注册的 irq 创建一个以 irq 编号为名字的子目录，每个子目录下分别有以下条目：

• smp_affinity irq 和 cpu 之间的亲缘绑定关系
• smp_affinity_hint 只读条目，用于用户空间做 irq 平衡只用
• spurious 可以获得该 irq 被处理和未被处理的次数的统计信息
• handler_name 驱动程序注册该 irq 时传入的处理程序的名字