linux kernel的中斷子系統(tǒng)之（八）：softirq

作者：linuxer 發(fā)布于：2014-10-24 11:53 分類：中斷子系統(tǒng)

一、前言

對于中斷處理而言，linux將其分成了兩個(gè)部分，一個(gè)叫做中斷handler（top half），是全程關(guān)閉中斷的，另外一部分是deferable task（bottom half），屬于不那么緊急需要處理的事情。在執(zhí)行bottom half的時(shí)候，是開中斷的。有多種bottom half的機(jī)制，例如：softirq、tasklet、workqueue或是直接創(chuàng)建一個(gè)kernel thread來執(zhí)行bottom half（這在舊的kernel驅(qū)動(dòng)中常見，現(xiàn)在，一個(gè)理智的driver廠商是不會(huì)這么做的）。本文主要討論softirq機(jī)制。由于tasklet是基于softirq的，因此本文也會(huì)提及tasklet，但主要是從需求層面考慮，不會(huì)涉及其具體的代碼實(shí)現(xiàn)。

在普通的驅(qū)動(dòng)中一般是不會(huì)用到softirq，但是由于驅(qū)動(dòng)經(jīng)常使用的tasklet是基于softirq的，因此，了解softirq機(jī)制有助于撰寫更優(yōu)雅的driver。softirq不能動(dòng)態(tài)分配，都是靜態(tài)定義的。內(nèi)核已經(jīng)定義了若干種softirq number，例如網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的收發(fā)、block設(shè)備的數(shù)據(jù)訪問（數(shù)據(jù)量大，通信帶寬高），timer的deferable task（時(shí)間方面要求高）。本文的第二章討論了softirq和tasklet這兩種機(jī)制有何不同，分別適用于什么樣的場景。第三章描述了一些context的概念，這是要理解后續(xù)內(nèi)容的基礎(chǔ)。第四章是進(jìn)入softirq的實(shí)現(xiàn)，對比hard irq來解析soft irq的注冊、觸發(fā)，調(diào)度的過程。

注：本文中的linux kernel的版本是3.14

二、為何有softirq和tasklet

1、為何有top half和bottom half

中斷處理模塊是任何OS中最重要的一個(gè)模塊，對系統(tǒng)的性能會(huì)有直接的影響。想像一下：如果在通過U盤進(jìn)行大量數(shù)據(jù)拷貝的時(shí)候，你按下一個(gè)key，需要半秒的時(shí)間才顯示出來，這個(gè)場景是否讓你崩潰？因此，對于那些復(fù)雜的、需要大量數(shù)據(jù)處理的硬件中斷，我們不能讓handler中處理完一切再恢復(fù)現(xiàn)場（handler是全程關(guān)閉中斷的），而是僅僅在handler中處理一部分，具體包括：

（1）有實(shí)時(shí)性要求的

（2）和硬件相關(guān)的。例如ack中斷，read HW FIFO to ram等

（3）如果是共享中斷，那么獲取硬件中斷狀態(tài)以便判斷是否是本中斷發(fā)生

除此之外，其他的內(nèi)容都是放到bottom half中處理。在把中斷處理過程劃分成top half和bottom half之后，關(guān)中斷的top half被瘦身，可以非?？焖俚膱?zhí)行完畢，大大減少了系統(tǒng)關(guān)中斷的時(shí)間，提高了系統(tǒng)的性能。

我們可以基于下面的系統(tǒng)進(jìn)一步的進(jìn)行討論：

當(dāng)網(wǎng)卡控制器的FIFO收到的來自以太網(wǎng)的數(shù)據(jù)的時(shí)候（例如半滿的時(shí)候，可以軟件設(shè)定），可以將該事件通過irq signal送達(dá)Interrupt Controller。Interrupt Controller可以把中斷分發(fā)給系統(tǒng)中的Processor A or B。

NIC的中斷處理過程大概包括：mask and ack interrupt controller-------->ack NIC-------->copy FIFO to ram------>handle Data in the ram----------->unmask interrupt controller

我們先假設(shè)Processor A處理了這個(gè)網(wǎng)卡中斷事件，于是NIC的中斷handler在Processor A上歡快的執(zhí)行，這時(shí)候，Processor A的本地中斷是disable的。NIC的中斷handler在執(zhí)行的過程中，網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)仍然源源不斷的到來，但是，如果NIC的中斷handler不操作NIC的寄存器來ack這個(gè)中斷的話，NIC是不會(huì)觸發(fā)下一次中斷的。還好，我們的NIC interrupt handler總是在最開始就會(huì)ack，因此，這不會(huì)導(dǎo)致性能問題。ack之后，NIC已經(jīng)具體再次trigger中斷的能力。當(dāng)Processor A上的handler 在處理接收來自網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)的時(shí)候，NIC的FIFO很可能又收到新的數(shù)據(jù)，并trigger了中斷，這時(shí)候，Interrupt controller還沒有umask，因此，即便還有Processor B（也就是說有處理器資源），中斷控制器也無法把這個(gè)中斷送達(dá)處理器系統(tǒng)。因此，只能眼睜睜的看著NIC FIFO填滿數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)溢出，或者向?qū)Χ税l(fā)出擁塞信號，無論如何，整體的系統(tǒng)性能是受到嚴(yán)重的影響。

注意：對于新的interrupt controller，可能沒有mask和umask操作，但是原理是一樣的，只不過NIC的handler執(zhí)行完畢要發(fā)生EOI而已。

要解決上面的問題，最重要的是盡快的執(zhí)行完中斷handler，打開中斷，unmask IRQ（或者發(fā)送EOI），方法就是把耗時(shí)的handle Data in the ram這個(gè)步驟踢出handler，讓其在bottom half中執(zhí)行。

2、為何有softirq和tasklet

OK，linux kernel已經(jīng)把中斷處理分成了top half和bottom half，看起來已經(jīng)不錯(cuò)了，那為何還要提供softirq、tasklet和workqueue這些bottom half機(jī)制，linux kernel本來就夠復(fù)雜了，bottom half還來添亂。實(shí)際上，在早期的linux kernel還真是只有一個(gè)bottom half機(jī)制，簡稱BH，簡單好用，但是性能不佳。后來，linux kernel的開發(fā)者開發(fā)了task queue機(jī)制，試圖來替代BH，當(dāng)然，最后task queue也消失在內(nèi)核代碼中了?，F(xiàn)在的linux kernel提供了三種bottom half的機(jī)制，來應(yīng)對不同的需求。

workqueue和softirq、tasklet有本質(zhì)的區(qū)別：workqueue運(yùn)行在process context，而softirq和tasklet運(yùn)行在interrupt context。因此，出現(xiàn)workqueue是不奇怪的，在有sleep需求的場景中，defering task必須延遲到kernel thread中執(zhí)行，也就是說必須使用workqueue機(jī)制。softirq和tasklet是怎么回事呢？從本質(zhì)上將，bottom half機(jī)制的設(shè)計(jì)有兩方面的需求，一個(gè)是性能，一個(gè)是易用性。設(shè)計(jì)一個(gè)通用的bottom half機(jī)制來滿足這兩個(gè)需求非常的困難，因此，內(nèi)核提供了softirq和tasklet兩種機(jī)制。softirq更傾向于性能，而tasklet更傾向于易用性。

我們還是進(jìn)入實(shí)際的例子吧，還是使用上一節(jié)的系統(tǒng)圖。在引入softirq之后，網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的處理如下：

關(guān)中斷：mask and ack interrupt controller-------->ack NIC-------->copy FIFO to ram------>raise softirq------>unmask interrupt controller

開中斷：在softirq上下文中進(jìn)行handle Data in the ram的動(dòng)作

同樣的，我們先假設(shè)Processor A處理了這個(gè)網(wǎng)卡中斷事件，很快的完成了基本的HW操作后，raise softirq。在返回中斷現(xiàn)場前，會(huì)檢查softirq的觸發(fā)情況，因此，后續(xù)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)處理的softirq在processor A上執(zhí)行。在執(zhí)行過程中，NIC硬件再次觸發(fā)中斷，Interrupt controller將該中斷分發(fā)給processor B，執(zhí)行動(dòng)作和Processor A是類似的，因此，最后，網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)處理的softirq在processor B上執(zhí)行。

為了性能，同一類型的softirq有可能在不同的CPU上并發(fā)執(zhí)行，這給使用者帶來了極大的痛苦，因?yàn)轵?qū)動(dòng)工程師在撰寫softirq的回調(diào)函數(shù)的時(shí)候要考慮重入，考慮并發(fā)，要引入同步機(jī)制。但是，為了性能，我們必須如此。

當(dāng)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)處理的softirq同時(shí)在Processor A和B上運(yùn)行的時(shí)候，網(wǎng)卡中斷又來了（可能是10G的網(wǎng)卡吧）。這時(shí)候，中斷分發(fā)給processor A，這時(shí)候，processor A上的handler仍然會(huì)raise softirq，但是并不會(huì)調(diào)度該softirq。也就是說，softirq在一個(gè)CPU上是串行執(zhí)行的。這種情況下，系統(tǒng)性能瓶頸是CPU資源，需要增加更多的CPU來解決該問題。

如果是tasklet的情況會(huì)如何呢？為何tasklet性能不如softirq呢？如果一個(gè)tasklet在processor A上被調(diào)度執(zhí)行，那么它永遠(yuǎn)也不會(huì)同時(shí)在processor B上執(zhí)行，也就是說，tasklet是串行執(zhí)行的（注：不同的tasklet還是會(huì)并發(fā)的），不需要考慮重入的問題。我們還是用網(wǎng)卡這個(gè)例子吧（注意：這個(gè)例子僅僅是用來對比，實(shí)際上，網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)是使用softirq機(jī)制的），同樣是上面的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。假設(shè)使用tasklet，網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的處理如下：

關(guān)中斷：mask and ack interrupt controller-------->ack NIC-------->copy FIFO to ram------>schedule tasklet------>unmask interrupt controller

開中斷：在softirq上下文中（一般使用TASKLET_SOFTIRQ這個(gè)softirq）進(jìn)行handle Data in the ram的動(dòng)作

同樣的，我們先假設(shè)Processor A處理了這個(gè)網(wǎng)卡中斷事件，很快的完成了基本的HW操作后，schedule tasklet（同時(shí)也就raise TASKLET_SOFTIRQ softirq）。在返回中斷現(xiàn)場前，會(huì)檢查softirq的觸發(fā)情況，因此，在TASKLET_SOFTIRQ softirq的handler中，獲取tasklet相關(guān)信息并在processor A上執(zhí)行該tasklet的handler。在執(zhí)行過程中，NIC硬件再次觸發(fā)中斷，Interrupt controller將該中斷分發(fā)給processor B，執(zhí)行動(dòng)作和Processor A是類似的，雖然TASKLET_SOFTIRQ softirq在processor B上可以執(zhí)行，但是，在檢查tasklet的狀態(tài)的時(shí)候，如果發(fā)現(xiàn)該tasklet在其他processor上已經(jīng)正在運(yùn)行，那么該tasklet不會(huì)被處理，一直等到在processor A上的tasklet處理完，在processor B上的這個(gè)tasklet才能被執(zhí)行。這樣的串行化操作雖然對驅(qū)動(dòng)工程師是一個(gè)福利，但是對性能而言是極大的損傷。

三、理解softirq需要的基礎(chǔ)知識（各種context）

1、preempt_count

為了更好的理解下面的內(nèi)容，我們需要先看看一些基礎(chǔ)知識：一個(gè)task的thread info數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)定義如下（只保留和本場景相關(guān)的內(nèi)容）：

struct thread_info { 
    ……
    int            preempt_count;    /* 0 => preemptable, <0 => bug */
    ……
};

preempt_count這個(gè)成員被用來判斷當(dāng)前進(jìn)程是否可以被搶占。如果preempt_count不等于0（可能是代碼調(diào)用preempt_disable顯式的禁止了搶占，也可能是處于中斷上下文等），說明當(dāng)前不能進(jìn)行搶占，如果preempt_count等于0，說明已經(jīng)具備了搶占的條件（當(dāng)然具體是否要搶占當(dāng)前進(jìn)程還是要看看thread info中的flag成員是否設(shè)定了_TIF_NEED_RESCHED這個(gè)標(biāo)記，可能是當(dāng)前的進(jìn)程的時(shí)間片用完了，也可能是由于中斷喚醒了優(yōu)先級更高的進(jìn)程）。 具體preempt_count的數(shù)據(jù)格式可以參考下圖：

preemption count用來記錄當(dāng)前被顯式的禁止搶占的次數(shù)，也就是說，每調(diào)用一次preempt_disable，preemption count就會(huì)加一，調(diào)用preempt_enable，該區(qū)域的數(shù)值會(huì)減去一。preempt_disable和preempt_enable必須成對出現(xiàn)，可以嵌套，最大嵌套的深度是255。

hardirq count描述當(dāng)前中斷handler嵌套的深度。對于ARM平臺(tái)的linux kernel，其中斷部分的代碼如下：

void handle_IRQ(unsigned int irq, struct pt_regs *regs)
{
    struct pt_regs *old_regs = set_irq_regs(regs);

    irq_enter(); 
    generic_handle_irq(irq);

    irq_exit();
    set_irq_regs(old_regs);
}

通用的IRQ handler被irq_enter和irq_exit這兩個(gè)函數(shù)包圍。irq_enter說明進(jìn)入到IRQ context，而irq_exit則說明退出IRQ context。在irq_enter函數(shù)中會(huì)調(diào)用preempt_count_add(HARDIRQ_OFFSET)，為hardirq count的bit field增加1。在irq_exit函數(shù)中，會(huì)調(diào)用preempt_count_sub(HARDIRQ_OFFSET)，為hardirq count的bit field減去1。hardirq count占用了4個(gè)bit，說明硬件中斷handler最大可以嵌套15層。在舊的內(nèi)核中，hardirq count占用了12個(gè)bit，支持4096個(gè)嵌套。當(dāng)然，在舊的kernel中還區(qū)分fast interrupt handler和slow interrupt handler，中斷handler最大可以嵌套的次數(shù)理論上等于系統(tǒng)IRQ的個(gè)數(shù)。在實(shí)際中，這個(gè)數(shù)目不可能那么大（內(nèi)核棧就受不了），因此，即使系統(tǒng)支持了非常大的中斷個(gè)數(shù)，也不可能各個(gè)中斷依次嵌套，達(dá)到理論的上限?；谶@樣的考慮，后來內(nèi)核減少了hardirq count占用bit數(shù)目，改成了10個(gè)bit（在general arch的代碼中修改為10，實(shí)際上，各個(gè)arch可以redefine自己的hardirq count的bit數(shù)）。但是，當(dāng)內(nèi)核大佬們決定廢棄slow interrupt handler的時(shí)候，實(shí)際上，中斷的嵌套已經(jīng)不會(huì)發(fā)生了。因此，理論上，hardirq count要么是0，要么是1。不過呢，不能總拿理論說事，實(shí)際上，萬一有寫奇葩或者老古董driver在handler中打開中斷，那么這時(shí)候中斷嵌套還是會(huì)發(fā)生的，但是，應(yīng)該不會(huì)太多（一個(gè)系統(tǒng)中怎么可能有那么多奇葩呢？呵呵），因此，目前hardirq count占用了4個(gè)bit，應(yīng)付15個(gè)奇葩driver是妥妥的。

對softirq count進(jìn)行操作有兩個(gè)場景：

（1）也是在進(jìn)入soft irq handler之前給 softirq count加一，退出soft irq handler之后給 softirq count減去一。由于soft irq handler在一個(gè)CPU上是不會(huì)并發(fā)的，總是串行執(zhí)行，因此，這個(gè)場景下只需要一個(gè)bit就夠了，也就是上圖中的bit 8。通過該bit可以知道當(dāng)前task是否在sofirq context。

（2）由于內(nèi)核同步的需求，進(jìn)程上下文需要禁止softirq。這時(shí)候，kernel提供了local_bf_enable和local_bf_disable這樣的接口函數(shù)。這部分的概念是和preempt disable/enable類似的，占用了bit9～15，最大可以支持127次嵌套。

2、一個(gè)task的各種上下文

看完了preempt_count之后，我們來介紹各種context：

#define in_irq()        (hardirq_count())
#define in_softirq()        (softirq_count())
#define in_interrupt()        (irq_count())

#define in_serving_softirq()    (softirq_count() & SOFTIRQ_OFFSET)

這里首先要介紹的是一個(gè)叫做IRQ context的術(shù)語。這里的IRQ context其實(shí)就是hard irq context，也就是說明當(dāng)前正在執(zhí)行中斷handler（top half），只要preempt_count中的hardirq count大于0（＝1是沒有中斷嵌套，如果大于1，說明有中斷嵌套），那么就是IRQ context。

softirq context并沒有那么的直接，一般人會(huì)認(rèn)為當(dāng)sofirq handler正在執(zhí)行的時(shí)候就是softirq context。這樣說當(dāng)然沒有錯(cuò)，sofirq handler正在執(zhí)行的時(shí)候，會(huì)增加softirq count，當(dāng)然是softirq context。不過，在其他context的情況下，例如進(jìn)程上下文中，有有可能因?yàn)橥降囊蠖{(diào)用local_bh_disable，這時(shí)候，通過local_bh_disable/enable保護(hù)起來的代碼也是執(zhí)行在softirq context中。當(dāng)然，這時(shí)候其實(shí)并沒有正在執(zhí)行softirq handler。如果你確實(shí)想知道當(dāng)前是否正在執(zhí)行softirq handler，in_serving_softirq可以完成這個(gè)使命，這是通過操作preempt_count的bit 8來完成的。

所謂中斷上下文，就是IRQ context ＋ softirq context＋NMI context。

四、softirq機(jī)制

softirq和hardirq（就是硬件中斷啦）是對應(yīng)的，因此softirq的機(jī)制可以參考hardirq對應(yīng)理解，當(dāng)然softirq是純軟件的，不需要硬件參與。

1、softirq number

和IRQ number一樣，對于軟中斷，linux kernel也是用一個(gè)softirq number唯一標(biāo)識一個(gè)softirq，具體定義如下：

enum
{
    HI_SOFTIRQ=0,
    TIMER_SOFTIRQ,
    NET_TX_SOFTIRQ,
    NET_RX_SOFTIRQ,
    BLOCK_SOFTIRQ,
    BLOCK_IOPOLL_SOFTIRQ,
    TASKLET_SOFTIRQ,
    SCHED_SOFTIRQ,
    HRTIMER_SOFTIRQ,
    RCU_SOFTIRQ,    /* Preferable RCU should always be the last softirq */

    NR_SOFTIRQS
};

HI_SOFTIRQ用于高優(yōu)先級的tasklet，TASKLET_SOFTIRQ用于普通的tasklet。TIMER_SOFTIRQ是for software timer的（所謂software timer就是說該timer是基于系統(tǒng)tick的）。NET_TX_SOFTIRQ和NET_RX_SOFTIRQ是用于網(wǎng)卡數(shù)據(jù)收發(fā)的。BLOCK_SOFTIRQ和BLOCK_IOPOLL_SOFTIRQ是用于block device的。SCHED_SOFTIRQ用于多CPU之間的負(fù)載均衡的。HRTIMER_SOFTIRQ用于高精度timer的。RCU_SOFTIRQ是處理RCU的。這些具體使用情景分析會(huì)在各自的子系統(tǒng)中分析，本文只是描述softirq的工作原理。

2、softirq描述符

我們前面已經(jīng)說了，softirq是靜態(tài)定義的，也就是說系統(tǒng)中有一個(gè)定義softirq描述符的數(shù)組，而softirq number就是這個(gè)數(shù)組的index。這個(gè)概念和早期的靜態(tài)分配的中斷描述符概念是類似的。具體定義如下：

struct softirq_action
{
    void    (*action)(struct softirq_action *);
};

static struct softirq_action softirq_vec[NR_SOFTIRQS] __cacheline_aligned_in_smp;

系統(tǒng)支持多少個(gè)軟中斷，靜態(tài)定義的數(shù)組就會(huì)有多少個(gè)entry。____cacheline_aligned保證了在SMP的情況下，softirq_vec是對齊到cache line的。softirq描述符非常簡單，只有一個(gè)action成員，表示如果觸發(fā)了該softirq，那么應(yīng)該調(diào)用action回調(diào)函數(shù)來處理這個(gè)soft irq。對于硬件中斷而言，其mask、ack等都是和硬件寄存器相關(guān)并封裝在irq chip函數(shù)中，對于softirq，沒有硬件寄存器，只有“軟件寄存器”，定義如下：

typedef struct {
    unsigned int __softirq_pending;
#ifdef CONFIG_SMP
    unsigned int ipi_irqs[NR_IPI];
#endif
} ____cacheline_aligned irq_cpustat_t;

irq_cpustat_t irq_stat[NR_CPUS] ____cacheline_aligned;

ipi_irqs這個(gè)成員用于處理器之間的中斷，我們留到下一個(gè)專題來描述。__softirq_pending就是這個(gè)“軟件寄存器”。softirq采用誰觸發(fā)，誰負(fù)責(zé)處理的。例如：當(dāng)一個(gè)驅(qū)動(dòng)的硬件中斷被分發(fā)給了指定的CPU，并且在該中斷handler中觸發(fā)了一個(gè)softirq，那么該CPU負(fù)責(zé)調(diào)用該softirq number對應(yīng)的action callback來處理該軟中斷。因此，這個(gè)“軟件寄存器”應(yīng)該是每個(gè)CPU擁有一個(gè)（專業(yè)術(shù)語叫做banked register）。為了性能，irq_stat中的每一個(gè)entry被定義對齊到cache line。

3、如何注冊一個(gè)softirq

通過調(diào)用open_softirq接口函數(shù)可以注冊softirq的action callback函數(shù)，具體如下：

void open_softirq(int nr, void (*action)(struct softirq_action *))
{
    softirq_vec[nr].action = action;
}

softirq_vec是一個(gè)多CPU之間共享的數(shù)據(jù)，不過，由于所有的注冊都是在系統(tǒng)初始化的時(shí)候完成的，那時(shí)候，系統(tǒng)是串行執(zhí)行的。此外，softirq是靜態(tài)定義的，每個(gè)entry（或者說每個(gè)softirq number）都是固定分配的，因此，不需要保護(hù)。

4、如何觸發(fā)softirq？

在linux kernel中，可以調(diào)用raise_softirq這個(gè)接口函數(shù)來觸發(fā)本地CPU上的softirq，具體如下：

void raise_softirq(unsigned int nr)
{
    unsigned long flags;

    local_irq_save(flags);
    raise_softirq_irqoff(nr);
    local_irq_restore(flags);
}

雖然大部分的使用場景都是在中斷handler中（也就是說關(guān)閉本地CPU中斷）來執(zhí)行softirq的觸發(fā)動(dòng)作，但是，這不是全部，在其他的上下文中也可以調(diào)用raise_softirq。因此，觸發(fā)softirq的接口函數(shù)有兩個(gè)版本，一個(gè)是raise_softirq，有關(guān)中斷的保護(hù)，另外一個(gè)是raise_softirq_irqoff，調(diào)用者已經(jīng)關(guān)閉了中斷，不需要關(guān)中斷來保護(hù)“soft irq status register”。

所謂trigger softirq，就是在__softirq_pending（也就是上面說的soft irq status register）的某個(gè)bit置一。從上面的定義可知，__softirq_pending是per cpu的，因此不需要考慮多個(gè)CPU的并發(fā)，只要disable本地中斷，就可以確保對，__softirq_pending操作的原子性。

具體raise_softirq_irqoff的代碼如下：

inline void raise_softirq_irqoff(unsigned int nr)
{
    __raise_softirq_irqoff(nr); －－－－－－－－－－－－－－－－（1）

    if (!in_interrupt())
        wakeup_softirqd();－－－－－－－－－－－－－－－－－－（2）
}

（1）__raise_softirq_irqoff函數(shù)設(shè)定本CPU上的__softirq_pending的某個(gè)bit等于1，具體的bit是由soft irq number（nr參數(shù)）指定的。

（2）如果在中斷上下文，我們只要set __softirq_pending的某個(gè)bit就OK了，在中斷返回的時(shí)候自然會(huì)進(jìn)行軟中斷的處理。但是，如果在context上下文調(diào)用這個(gè)函數(shù)的時(shí)候，我們必須要調(diào)用wakeup_softirqd函數(shù)用來喚醒本CPU上的softirqd這個(gè)內(nèi)核線程。具體softirqd的內(nèi)容請參考下一個(gè)章節(jié)。

5、disable/enable softirq

在linux kernel中，可以使用local_irq_disable和local_irq_enable來disable和enable本CPU中斷。和硬件中斷一樣，軟中斷也可以disable，接口函數(shù)是local_bh_disable和local_bh_enable。雖然和想像的local_softirq_enable/disable有些出入，不過bh這個(gè)名字更準(zhǔn)確反應(yīng)了該接口函數(shù)的意涵，因?yàn)閘ocal_bh_disable/enable函數(shù)就是用來disable/enable bottom half的，這里就包括softirq和tasklet。

先看disable吧，畢竟禁止bottom half比較簡單：

static inline void local_bh_disable(void)
{
    __local_bh_disable_ip(_THIS_IP_, SOFTIRQ_DISABLE_OFFSET);
}

static __always_inline void __local_bh_disable_ip(unsigned long ip, unsigned int cnt)
{
    preempt_count_add(cnt);
    barrier();
}

看起來disable bottom half比較簡單，就是講current thread info上的preempt_count成員中的softirq count的bit field9～15加上一就OK了。barrier是優(yōu)化屏障（Optimization barrier），會(huì)在內(nèi)核同步系列文章中描述。

enable函數(shù)比較復(fù)雜，如下：

static inline void local_bh_enable(void)
{
    __local_bh_enable_ip(_THIS_IP_, SOFTIRQ_DISABLE_OFFSET);
}

void __local_bh_enable_ip(unsigned long ip, unsigned int cnt)
{
    WARN_ON_ONCE(in_irq() || irqs_disabled());－－－－－－－－－－－（1）

    preempt_count_sub(cnt - 1); －－－－－－－－－－－－－－－－－－（2）

    if (unlikely(!in_interrupt() && local_softirq_pending())) { －－－－－－－（3）
        do_softirq();
    }

    preempt_count_dec(); －－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－（4）
    preempt_check_resched();
}

（1）disable/enable bottom half是一種內(nèi)核同步機(jī)制。在硬件中斷的handler（top half）中，不應(yīng)該調(diào)用disable/enable bottom half函數(shù)來保護(hù)共享數(shù)據(jù)，因?yàn)閎ottom half其實(shí)是不可能搶占top half的。同樣的，soft irq也不會(huì)搶占另外一個(gè)soft irq的執(zhí)行，也就是說，一旦一個(gè)softirq handler被調(diào)度執(zhí)行（無論在哪一個(gè)processor上），那么，本地的softirq handler都無法搶占其運(yùn)行，要等到當(dāng)前的softirq handler運(yùn)行完畢后，才能執(zhí)行下一個(gè)soft irq handler。注意：上面我們說的是本地，是local，softirq handler是可以在多個(gè)CPU上同時(shí)運(yùn)行的，但是，linux kernel中沒有disable all softirq的接口函數(shù)（就好像沒有disable all CPU interrupt的接口一樣，注意體會(huì)local_bh_enable/disable中的local的含義）。

說了這么多，一言以蔽之，local_bh_enable/disable是給進(jìn)程上下文使用的，用于防止softirq handler搶占local_bh_enable/disable之間的臨界區(qū)的。

irqs_disabled接口函數(shù)可以獲知當(dāng)前本地CPU中斷是否是disable的，如果返回1，那么當(dāng)前是disable 本地CPU的中斷的。如果irqs_disabled返回1，有可能是下面這樣的代碼造成的：

local_irq_disable();

……
local_bh_disable();

……

local_bh_enable();
……
local_irq_enable();

本質(zhì)上，關(guān)本地中斷是一種比關(guān)本地bottom half更強(qiáng)勁的鎖，關(guān)本地中斷實(shí)際上是禁止了top half和bottom half搶占當(dāng)前進(jìn)程上下文的運(yùn)行。也許你會(huì)說：這也沒有什么，就是有些浪費(fèi)，至少代碼邏輯沒有問題。但事情沒有這么簡單，在local_bh_enable--->do_softirq--->__do_softirq中，有一條無條件打開當(dāng)前中斷的操作，也就是說，原本想通過local_irq_disable/local_irq_enable保護(hù)的臨界區(qū)被破壞了，其他的中斷handler可以插入執(zhí)行，從而無法保證local_irq_disable/local_irq_enable保護(hù)的臨界區(qū)的原子性，從而破壞了代碼邏輯。

in_irq()這個(gè)函數(shù)如果不等于0的話，說明local_bh_enable被irq_enter和irq_exit包圍，也就是說在中斷handler中調(diào)用了local_bh_enable/disable。這道理是和上面類似的，這里就不再詳細(xì)描述了。

（2）在local_bh_disable中我們?yōu)閜reempt_count增加了SOFTIRQ_DISABLE_OFFSET，在local_bh_enable函數(shù)中應(yīng)該減掉同樣的數(shù)值。這一步，我們首先減去了（SOFTIRQ_DISABLE_OFFSET－1），為何不一次性的減去SOFTIRQ_DISABLE_OFFSET呢？考慮下面運(yùn)行在進(jìn)程上下文的代碼場景：

……

local_bh_disable

……需要被保護(hù)的臨界區(qū)……

local_bh_enable

……

在臨界區(qū)內(nèi)，有進(jìn)程context 和softirq共享的數(shù)據(jù)，因此，在進(jìn)程上下文中使用local_bh_enable/disable進(jìn)行保護(hù)。假設(shè)在臨界區(qū)代碼執(zhí)行的時(shí)候，發(fā)生了中斷，由于代碼并沒有阻止top half的搶占，因此中斷handler會(huì)搶占當(dāng)前正在執(zhí)行的thread。在中斷handler中，我們r(jià)aise了softirq，在返回中斷現(xiàn)場的時(shí)候，由于disable了bottom half，因此雖然觸發(fā)了softirq，但是不會(huì)調(diào)度執(zhí)行。因此，代碼返回臨界區(qū)繼續(xù)執(zhí)行，直到local_bh_enable。一旦enable了bottom half，那么之前raise的softirq就需要調(diào)度執(zhí)行了，因此，這也是為什么在local_bh_enable會(huì)調(diào)用do_softirq函數(shù)。

調(diào)用do_softirq函數(shù)來處理pending的softirq的時(shí)候，當(dāng)前的task是不能被搶占的，因?yàn)橐坏┍粨屨?，下一次該task被調(diào)度運(yùn)行的時(shí)候很可能在其他的CPU上去了（還記得嗎？softirq的pending 寄存器是per cpu的）。因此，我們不能一次性的全部減掉，那樣的話有可能preempt_count等于0，那樣就允許搶占了。因此，這里減去了（SOFTIRQ_DISABLE_OFFSET－1），既保證了softirq count的bit field9～15被減去了1，又保持了preempt disable的狀態(tài)。

（3）如果當(dāng)前不是interrupt context的話，并且有pending的softirq，那么調(diào)用do_softirq函數(shù)來處理軟中斷。

（4）該來的總會(huì)來，在step 2中我們少減了1，這里補(bǔ)上，其實(shí)也就是preempt count-1。

（5）在softirq handler中很可能wakeup了高優(yōu)先級的任務(wù)，這里最好要檢查一下，看看是否需要進(jìn)行調(diào)度，確保高優(yōu)先級的任務(wù)得以調(diào)度執(zhí)行。

5、如何處理一個(gè)被觸發(fā)的soft irq

我們說softirq是一種defering task的機(jī)制，也就是說top half沒有做的事情，需要延遲到bottom half中來執(zhí)行。那么具體延遲到什么時(shí)候呢？這是本節(jié)需要講述的內(nèi)容，也就是說soft irq是如何調(diào)度執(zhí)行的。

在上一節(jié)已經(jīng)描述一個(gè)softirq被調(diào)度執(zhí)行的場景，本節(jié)主要關(guān)注在中斷返回現(xiàn)場時(shí)候調(diào)度softirq的場景。我們來看中斷退出的代碼，具體如下：

void irq_exit(void)
{
……
    if (!in_interrupt() && local_softirq_pending())
        invoke_softirq();

……
}

代碼中“!in_interrupt()”這個(gè)條件可以確保下面的場景不會(huì)觸發(fā)sotfirq的調(diào)度：

（1）中斷handler是嵌套的。也就是說本次irq_exit是退出到上一個(gè)中斷handler。當(dāng)然，在新的內(nèi)核中，這種情況一般不會(huì)發(fā)生，因?yàn)橹袛鄅andler都是關(guān)中斷執(zhí)行的。

（2）本次中斷是中斷了softirq handler的執(zhí)行。也就是說本次irq_exit是不是退出到進(jìn)程上下文，而是退出到上一個(gè)softirq context。這一點(diǎn)也保證了在一個(gè)CPU上的softirq是串行執(zhí)行的（注意：多個(gè)CPU上還是有可能并發(fā)的）

我們繼續(xù)看invoke_softirq的代碼：

static inline void invoke_softirq(void)
{
    if (!force_irqthreads) {
#ifdef CONFIG_HAVE_IRQ_EXIT_ON_IRQ_STACK
        __do_softirq();
#else
        do_softirq_own_stack();
#endif
    } else {
        wakeup_softirqd();
    }
}

force_irqthreads是和強(qiáng)制線程化相關(guān)的，主要用于interrupt handler的調(diào)試（一般而言，在線程環(huán)境下比在中斷上下文中更容易收集調(diào)試數(shù)據(jù)）。如果系統(tǒng)選擇了對所有的interrupt handler進(jìn)行線程化處理，那么softirq也沒有理由在中斷上下文中處理（中斷handler都在線程中執(zhí)行了，softirq怎么可能在中斷上下文中執(zhí)行）。本身invoke_softirq這個(gè)函數(shù)是在中斷上下文中被調(diào)用的，如果強(qiáng)制線程化，那么系統(tǒng)中所有的軟中斷都在sofirq的daemon進(jìn)程中被調(diào)度執(zhí)行。

如果沒有強(qiáng)制線程化，softirq的處理也分成兩種情況，主要是和softirq執(zhí)行的時(shí)候使用的stack相關(guān)。如果arch支持單獨(dú)的IRQ STACK，這時(shí)候，由于要退出中斷，因此irq stack已經(jīng)接近全空了（不考慮中斷棧嵌套的情況，因此新內(nèi)核下，中斷不會(huì)嵌套），因此直接調(diào)用__do_softirq()處理軟中斷就OK了，否則就調(diào)用do_softirq_own_stack函數(shù)在softirq自己的stack上執(zhí)行。當(dāng)然對ARM而言，softirq的處理就是在當(dāng)前的內(nèi)核棧上執(zhí)行的，因此do_softirq_own_stack的調(diào)用就是調(diào)用__do_softirq()，代碼如下（刪除了部分無關(guān)代碼）：

asmlinkage void __do_softirq(void)
{

……

    pending = local_softirq_pending();－－－－－－－－－－－－－－－獲取softirq pending的狀態(tài)

    __local_bh_disable_ip(_RET_IP_, SOFTIRQ_OFFSET);－－－標(biāo)識下面的代碼是正在處理softirq

    cpu = smp_processor_id();
restart:
    set_softirq_pending(0); －－－－－－－－－清除pending標(biāo)志

    local_irq_enable(); －－－－－－打開中斷，softirq handler是開中斷執(zhí)行的

    h = softirq_vec; －－－－－－－獲取軟中斷描述符指針

    while ((softirq_bit = ffs(pending))) {－－－－－－－尋找pending中第一個(gè)被設(shè)定為1的bit
        unsigned int vec_nr;
        int prev_count;

        h += softirq_bit - 1; －－－－－－指向pending的那個(gè)軟中斷描述符

        vec_nr = h - softirq_vec;－－－－獲取soft irq number

        h->action(h);－－－－－－－－－指向softirq handler

        h++;
        pending >>= softirq_bit;
    }

    local_irq_disable(); －－－－－－－打開中斷

    pending = local_softirq_pending();－－－－－－－－－－（注1）
    if (pending) {
        if (time_before(jiffies, end) && !need_resched() &&
            --max_restart)
            goto restart;

        wakeup_softirqd();
    }

    __local_bh_enable(SOFTIRQ_OFFSET);－－－－－－－－－－標(biāo)識softirq處理完畢

}

（注1）再次檢查softirq pending，有可能上面的softirq handler在執(zhí)行過程中，發(fā)生了中斷，又raise了softirq。如果的確如此，那么我們需要跳轉(zhuǎn)到restart那里重新處理soft irq。當(dāng)然，也不能總是在這里不斷的loop，因此linux kernel設(shè)定了下面的條件：

（1）softirq的處理時(shí)間沒有超過2個(gè)ms

（2）上次的softirq中沒有設(shè)定TIF_NEED_RESCHED，也就是說沒有有高優(yōu)先級任務(wù)需要調(diào)度

（3）loop的次數(shù)小于 10次

因此，只有同時(shí)滿足上面三個(gè)條件，程序才會(huì)跳轉(zhuǎn)到restart那里重新處理soft irq。否則wakeup_softirqd就OK了。這樣的設(shè)計(jì)也是一個(gè)平衡的方案。一方面照顧了調(diào)度延遲：本來，發(fā)生一個(gè)中斷，系統(tǒng)期望在限定的時(shí)間內(nèi)調(diào)度某個(gè)進(jìn)程來處理這個(gè)中斷，如果softirq handler不斷觸發(fā)，其實(shí)linux kernel是無法保證調(diào)度延遲時(shí)間的。另外一方面，也照顧了硬件的thoughput：已經(jīng)預(yù)留了一定的時(shí)間來處理softirq。

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http://www./linux_kenrel/soft-irq.html

標(biāo)簽: 軟中斷 softirq

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