Linux 软中断

一、中断是什么

中断是一种异步的事件处理机制，可以有效的提高系统的并发处理能力。

可以举一个例子，比如你在外卖平台定了一份外卖，但是这个平台并没有预估送达时间，而且配送员送到了也不会敲门按门铃，到了如果没人拿他就直接跑了。所以你只能苦苦的坐在门口等待外卖员上门，直到拿到你的外卖。这种形式就叫做不可中断状态，因为你在等外卖的时候不能做其他事情。

但是如果你的外卖平台具有实时进度提醒，且外卖员送达后会电话联系你出来拿外卖。那么你就可以下单后去做其他的事，直到电话响了你再接电话、取外卖就行了。在这里，打电话就是一个中断，在没收到电话的时候你持续做另一件事，直到接到电话（发生中断）才执行其他动作——取外卖。

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地运行。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的问题；但如果中断本身要处理的事情太多，中断服务程序就有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。这就会导致上一次中断处理完成之前，其他中断程序都不能响应，也就是说中断可能会丢失。

还是以外卖为例，这次你下单了两份外卖，一份炸鸡跟一份奶茶，并且是由两个外卖小哥配送，同时他们到了之后又都会给你打电话通知外卖送达。但这次，你的奶茶送到时，由于配送出了问题导致奶茶破损，于是你在电话里头跟外卖小哥沟通售后/赔偿事宜沟通了很久。于此同时你的炸鸡也到了，但是你的电话在跟奶茶的外卖小哥沟通导致了电话占线（系统关闭了中断响应），导致炸鸡的外卖小哥无法联系上你，于是他可能试了几次就走掉了（中断丢失）。

二、软中断

如果你弄清了上面的“取外卖”模式，那对系统的中断机制就很容易理解了。事实上，为了解决中断处理程序执行过长导致中断丢失的问题，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：

上半部用来处理快速中断，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。

还是“炸鸡与奶茶”的例子，上半部就是你接电话，告诉外卖小哥你已经知道了，晚点你上外卖平台申请理赔就行了，然后电话就挂了；下半部才是在外卖平台申请理赔等动作。这样，第一个外卖小哥不会占用你太多时间，当第二个外卖小哥到了的时候，照样能打通你的电话。

所以，这两个阶段也能这么理解：

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

三、查看软中断和内核线程

可以通过 proc 文件系统来查看捏合数据结构，其中

/proc/softirqs 提供软中断的运行情况
/proc/interrupts 提供硬中断的运行情况

/proc/softirqs 文件示例

$  cat /proc/softirqs
                    CPU0       CPU1
          HI:          1          0
       TIMER:   78492795   69611989
      NET_TX:          0          1
      NET_RX:    3359701    3080468
       BLOCK:    3842791          0
BLOCK_IOPOLL:          0          0
     TASKLET:         16          0
       SCHED:   27857273   29745084
     HRTIMER:          0          0
         RCU:   42876951   37899812

注意点

软中断类型：也就是这个界面的第一列的内容，从第一列可以看到软中断分为 10 种类型
同一种中断在不同 CPU 上的分布情况：正常情况下，同一种中断在不同 CPU 上的累计次数应该差不多
TASKLET 在不同 CPU 上的分布不均匀：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，且只在调用它函数所在的 CPU 上运行，因此 TASKLET 非常简便。不过也会存在一些问题，比如只在一个 CPU 上运行导致调度不均匀，或不能在多个 CPU 上并行运行带来的性能限制

查看软中断线程，可以通过查找编号为 ksoftirqd/CPU 的进程，比如下面指令：

$ ps -aux | grep softirq
root         6  0.0  0.0      0     0 ?        S    Apr06   0:01 [ksoftirqd/0]
root        14  0.0  0.0      0     0 ?        S    Apr06   0:01 [ksoftirqd/1]
root     12720  0.0  0.0 112816   980 pts/6    S+   22:59   0:00 grep --color=auto softirq

注意，这些线程的名字外面都有中括号的，这说明 ps 无法获取他们的命令行参数（cmdline）。一般来说，ps 的输出汇总，名字在中括号里的，一般都是内核线程。

四、软中断升高会发生什么

一般情况下，软中断升高在 top 中不容易发现，但给人的感觉是 shell 反应很迟缓，敲下回车都会卡一会。观察软中断升高速率可以使用 watch 来观察，之后再对症下药即可。

watch -d cat /proc/softirqs
                    CPU0       CPU1
          HI:          1          0
       TIMER:   78516628   69634209
      NET_TX:          0          1
      NET_RX:    3360907    3081073
       BLOCK:    3843820          0
BLOCK_IOPOLL:          0          0
     TASKLET:         16          0
       SCHED:   27866184   29754814
     HRTIMER:          0          0
         RCU:   42890013   37911964

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。

小结