Linux内核软中断分析

一、软中断类型

在Linux内核中，中断处理分为上半部（硬中断）和下半部。上半部负责快速响应硬件事件，而下半部用于处理耗时任务，避免阻塞系统。下半部有三种机制：软中断（Softirq）、小任务（Tasklet）和工作队列（Workqueue）。它们的区别如下：

---

1. 软中断（Softirq）

• 特点：

  • 不允许睡眠：在中断上下文中执行，不能调用可能引发睡眠的函数（如kmalloc(GFP_KERNEL)）。

  • 静态定义：类型在编译时确定（如网络、定时器等），无法动态添加新类型。

  • 可重入与并发：同类型软中断可在多个CPU上并行执行，处理函数需支持可重入，需用锁保护临界区。

• 示例：

  • 网络数据包处理：网卡硬中断将数据包存入队列后，触发NET_RX_SOFTIRQ软中断。多个CPU可同时调用处理函数net_rx_action()，并行处理不同数据包。函数内部需使用自旋锁保护共享队列。

---

2. 小任务（Tasklet）

• 特点：

  • 不允许睡眠：同样在中断上下文中运行。

  • 动态调度：可在运行时动态注册和调度（如驱动初始化时）。

  • 串行执行：同一Tasklet实例仅在一个CPU上执行，无需处理可重入问题。

• 示例：

  • USB设备中断处理：硬中断快速确认中断后，调度Tasklet处理数据传输。例如：

  • void usb_tasklet_func(unsigned long data) { /* 处理数据 */ }
    DECLARE_TASKLET(usb_tasklet, usb_tasklet_func, 0);
    
    // 硬中断中调用：
    tasklet_schedule(&usb_tasklet);

    即使系统有多个CPU，usb_tasklet同一时刻只在一个CPU上运行。

---

3. 工作队列（Workqueue）

• 特点：

  • 允许睡眠：在进程上下文中运行（内核线程），可使用阻塞函数（如msleep()、mutex_lock()）。

  • 动态管理：可动态创建队列和任务。

  • 线程执行：任务由内核线程按顺序处理。

• 示例：

  • 磁盘写入操作：需要休眠等待I/O完成时，使用工作队列：

  • struct work_struct write_work;
    
    void write_work_func(struct work_struct *work) {
        // 调用可能阻塞的函数，如文件写入
        filp->f_op->write(...);
    }
    
    // 初始化并提交任务：
    INIT_WORK(&write_work, write_work_func);
    schedule_work(&write_work);

    工作队列处理函数可安全调用write()等可能阻塞的操作。

---

三者的对比总结

特性	软中断	小任务	工作队列
是否允许睡眠	否	否	是
动态添加/删除	否（静态编译时定义）	是	是（可动态创建队列）
并发性	多CPU并行，需可重入	单CPU串行，无需可重入	按线程调度，顺序执行

        软中断（softirq）是中断处理程序在开启中断的情况下执行的部分，可以被硬中断抢占。内核定义了一张软中断向量表，每种软中断有一个唯一编号，对应一个softirq_action实例，内核源码如下：

 软中断类型内核源码如下：

二、注册软中断以及触发软中断

        函数open_softirq()来注册软中断处理函数，在软中断向量表中为指定的软中断编号设置处理函数，内核源码如下：

        函数raise_softirq()用来触发软中断，参数是软中断编号：

 三、执行软中断

         在中断处理程序的后半部分执行软中断，对执行时间有限制：不能超过 2 毫秒，并且最多执行 10 次；每个处理器有一个软中断线程，调度策略是 SCHED_NORMAL，优先级是120。

        中断处理程序执行软中断：

         软中断线程：

         以NIC网卡接收数据触发软中断为例，讲解这些函数工作流程：

1. open_softirq

• 功能：用于注册软中断处理函数。在内核中，软中断类型是预先定义好的 ，如NET_RX_SOFTIRQ（网卡接收数据软中断类型）。通过open_softirq(net_rx_softirq, net_rx_action)，将net_rx_action函数注册为NET_RX_SOFTIRQ软中断的处理函数。这样当该软中断被触发时，内核知道要调用哪个函数来处理。
• 流程：将传入的处理函数指针赋值给对应软中断向量表（softirq_vec数组 ）中该软中断类型索引位置的action成员。

2. raise_softirq

• 功能：标记要触发的软中断，使其进入待处理状态。当 NIC 网卡接收到数据时，相关代码会调用raise_softirq来触发NET_RX_SOFTIRQ软中断。
• 流程：
  • 首先调用raise_softirq_irqoff，该函数通过__raise_softirq_irqoff设置当前 CPU 的软中断 pending 标志位（对应__softirq_pending中NET_RX_SOFTIRQ相关位） ，表示有软中断等待处理。
  • 然后检查当前是否不在中断上下文（通过in_interrupt判断） ，如果满足条件，就唤醒软中断守护进程ksoftirqd（调用wakeup_softirqd），准备处理软中断；若在中断上下文，则软中断会在中断退出阶段处理。

3. irq_exit

• 功能：在硬中断处理完成后调用，用于退出中断上下文，并检查是否有需要处理的软中断。当 NIC 网卡硬中断处理完成后，会执行到irq_exit。
• 流程：
  • 执行一些统计和追踪相关操作，如account_system_vtime(current)、trace_hardirq_exit。
  • 通过sub_preempt_count(IRQ_EXIT_OFFSET)标识 HARDIRQ 中断上下文结束。
  • 使用in_interrupt判断当前是否处于中断上下文，用local_softirq_pending检查是否有等待处理的软中断。若不在中断上下文且有软中断等待处理，则调用invoke_softirq。

4. invoke_softirq

• 功能：实际触发软中断处理，它是__do_softirq的宏定义（#define invoke_softirq() __do_softirq() ），负责调用软中断处理函数。
• 流程：直接调用__do_softirq，进入软中断处理核心流程。

5. _do_softirq

• 功能：软中断处理核心函数，遍历并执行处于 pending 状态的软中断处理函数。
• 流程：
  • 获取当前 CPU 软中断位图pending = local_softirq_pending()，得到哪些软中断被触发。
  • 禁止本地 CPU 的软中断（__local_bh_disable ），防止处理过程中软中断被干扰。
  • 标记进入 softirq context（lockdep_softirq_enter ），记录相关锁依赖信息。
  • 循环处理位图中的软中断：
    • 对位图清零（set_softirq_pending(0) ）。
    • 开启本地 CPU 硬中断（local_irq_enable ），允许硬中断打断软中断处理（但软中断不可嵌套）。
    • 获取软中断描述（h = softirq_vec ），根据软中断位图找到对应的软中断处理函数并执行（h->action(h) ） 。
    • 处理过程中检查是否超时（通过jiffies和设定的最大处理时间MAX_SOFTIRQ_TIME比较 ）和达到最大重启次数（max_restart ，默认 10 次） ，若满足条件且还有软中断未处理完，则唤醒ksoftirqd继续处理剩余软中断。
  • 处理完成后恢复相关设置，如关闭本地 CPU 硬中断等。

6. run_softirqd

• 功能：ksoftirqd内核线程执行的函数，当软中断处理在irq_exit中未处理完，或内核其他代码主动触发软中断且不在中断上下文时，ksoftirqd会被唤醒执行run_softirqd来处理软中断。
• 流程：在内核关闭抢占的情况下调用__do_softirq，执行与上述__do_softirq类似的软中断处理流程，遍历并执行等待处理的软中断处理函数。

 https://github.com/0voice