中斷（IRQ），特別是軟中斷（softirq）的重要應用程式場景是網路收發包，但這並不是唯一的應用程式場景。本文整理了 IRQ/softirq 的通用基礎知識，這些內容與網路收發包並沒有直接關係，儘管整理本文的目的是為了更好地理解網路收發包。
CPU 透過時分複用來處理多個任務，包括硬體任務（如磁碟讀寫、鍵盤輸入）和軟體任務（如網路包處理）。在任意時刻，一個 CPU 只能處理一個任務。當某個硬體或軟體任務此刻未被執行，但希望 CPU 立即處理時，它會向 CPU 發送中斷請求，希望 CPU 暫停目前工作，優先處理該任務。中斷以事件的形式通知 CPU，因此我們常看到「在 XX 條件下會觸發 XX 中斷事件」的描述。
兩種類型：
管理中斷的裝置：Advanced Programmable Interrupt Controller（APIC）。
#中斷隨時可能發生，發生之後必須馬上處理。收到中斷事件後的處理流程：
#Maskable interrupts 在 x64_64 上可以用 sti/cli 兩個指令來屏蔽（關閉）和恢復：
static inline void native_irq_disable(void) {
asm volatile("cli": : :"memory"); // 清除 IF 标志位
}
static inline void native_irq_enable(void) {
asm volatile("sti": : :"memory"); // 设置 IF 标志位
}
在屏蔽期間，這種類型的中斷不會再觸發新的中斷事件。大部分 IRQ 都屬於這類型。例：網卡的收發包硬體中斷。
Non-maskable interrupts 不可屏蔽，所以在效果上屬於更緊急的類型。
IRQ handler 的兩個特點：
這裡就有了內在矛盾。
#傳統上，解決這個內在矛盾的方式是將中斷處理分成兩部分：
這種方式稱為中斷的延遲處理或延遲處理。以前這是唯一的延遲方式，但現在不是了。現在已經是個通用術語，泛指各種延遲執行中斷處理的方式。以這種方式，中斷會分成兩部分：
Linux 中的三种推迟中断（deferred interrupts）：
后面会具体介绍。
软中断是一个内核子系统：
1、每个 CPU 上会初始化一个 ksoftirqd 内核线程，负责处理各种类型的 softirq 中断事件；
用 cgroup ls 或者 ps -ef 都能看到：
$ systemd-cgls -k | grep softirq # -k: include kernel threads in the output ├─ 12 [ksoftirqd/0] ├─ 19 [ksoftirqd/1] ├─ 24 [ksoftirqd/2] ...
2、软中断事件的 handler 提前注册到 softirq 子系统， 注册方式 open_softirq(softirq_id, handler)
例如，注册网卡收发包（RX/TX）软中断处理函数：
// net/core/dev.c open_softirq(NET_TX_SOFTIRQ, net_tx_action); open_softirq(NET_RX_SOFTIRQ, net_rx_action);
3、软中断占 CPU 的总开销：可以用 top 查看，里面 si 字段就是系统的软中断开销（第三行倒数第二个指标）：
$ top -n1 | head -n3 top - 18:14:05 up 86 days, 23:45, 2 users, load average: 5.01, 5.56, 6.26 Tasks: 969 total, 2 running, 733 sleeping, 0 stopped, 2 zombie %Cpu(s): 13.9 us, 3.2 sy, 0.0 ni, 82.7 id, 0.0 wa, 0.0 hi, 0.1 si, 0.0 st
smpboot.c 类似于一个事件驱动的循环，里面会调度到 ksoftirqd 线程，执行 pending 的软中断。ksoftirqd 里面会进一步调用到 __do_softirq，
软中断方式的潜在影响：推迟执行部分（比如 softirq）可能会占用较长的时间，在这个时间段内， 用户空间线程只能等待。反映在 top 里面，就是 si 占比。
不过 softirq 调度循环对此也有改进，通过 budget 机制来避免 softirq 占用过久的 CPU 时间。
unsigned long end = jiffies + MAX_SOFTIRQ_TIME;
...
restart:
while ((softirq_bit = ffs(pending))) {
...
h->action(h); // 这里面其实也有机制，避免 softirq 占用太多 CPU
...
}
...
pending = local_softirq_pending();
if (pending) {
if (time_before(jiffies, end) && !need_resched() && --max_restart) // 避免 softirq 占用太多 CPU
goto restart;
}
...
前面提到，softirq 是一种推迟中断处理机制，将 IRQ 的大部分处理逻辑推迟到了这里执行。两条路径都会执行到 softirq 主处理逻辑 __do_softirq()，
1、CPU 调度到 ksoftirqd 线程时，会执行到 __do_softirq()；
2、每次 IRQ handler 退出时：do_IRQ() -> ...。
do_IRQ() 是内核中最主要的 IRQ 处理方式。它执行结束时，会调用 exiting_irq()，这会展开成 irq_exit()。后者会检查是pending 的 softirq，有的话就唤醒：
// arch/x86/kernel/irq.c if (!in_interrupt() && local_softirq_pending()) invoke_softirq();
进而会使 CPU 执行到 __do_softirq()。
To summarize, each softirq goes through the following stages: 每个软中断会经过下面几个阶段：
open_softirq() 注册软中断处理函数；raise_softirq() 将一个软中断标记为 deferred interrupt，这会唤醒改软中断（但还没有开始处理）；ksoftirqd 内核线程时，会将所有等待处理的 deferred interrupt（也就是 softirq）拿出来，执行对应的处理方法（softirq handler）；以收包软中断为例， IRQ handler 并不执行 NAPI，只是触发它，在里面会执行到 raise NET_RX_SOFTIRQ；真正的执行在 softirq，里面会调用网卡的 poll() 方法收包。IRQ handler 中会调用 napi_schedule()，然后启动 NAPI poll()，
这里需要注意，虽然 IRQ handler 做的事情非常少，但是接下来处理这个包的 softirq 和 IRQ 在同一个 CPU 运行。这就是说，如果大量的包都放到了同一个 RX queue，那虽然 IRQ 的开销可能并不多，但这个 CPU 仍然会非常繁忙，都花在 softirq 上了。解决方式：RPS。它并不会降低延迟，只是将包重新分发：RXQ -> CPU。
前面提到，Linux 中的三种推迟中断执行的方式：
其中，
前面已经看到， Linux 在每个 CPU 上会创建一个 ksoftirqd 内核线程。
softirqs 是在 Linux 内核编译时就确定好的，例外网络收包对应的 NET_RX_SOFTIRQ 软中断。因此是一种静态机制。如果想加一种新 softirq 类型，就需要修改并重新编译内核。
在内部是用一个数组（或称向量）来管理的，每个软中断号对应一个 softirq handler。数组和注册：
// kernel/softirq.c
// NR_SOFTIRQS 是 enum softirq type 的最大值，在 5.10 中是 10，见下面
static struct softirq_action softirq_vec[NR_SOFTIRQS] __cacheline_aligned_in_smp;
void open_softirq(int nr, void (*action)(struct softirq_action *)) {
softirq_vec[nr].action = action;
}
5.10 中所有类型的 softirq：
// include/linux/interrupt.h
enum {
HI_SOFTIRQ=0, // tasklet
TIMER_SOFTIRQ, // timer
NET_TX_SOFTIRQ, // networking
NET_RX_SOFTIRQ, // networking
BLOCK_SOFTIRQ, // IO
IRQ_POLL_SOFTIRQ,
TASKLET_SOFTIRQ, // tasklet
SCHED_SOFTIRQ, // schedule
HRTIMER_SOFTIRQ, // timer
RCU_SOFTIRQ, // lock
NR_SOFTIRQS
};
也就是在 cat /proc/softirqs 看到的哪些。
$ cat /proc/softirqs CPU0 CPU1 ... CPU46 CPU47 HI: 2 0 ... 0 1 TIMER: 443727 467971 ... 313696 270110 NET_TX: 57919 65998 ... 42287 54840 NET_RX: 28728 5262341 ... 81106 55244 BLOCK: 261 1564 ... 268986 463918 IRQ_POLL: 0 0 ... 0 0 TASKLET: 98 207 ... 129 122 SCHED: 1854427 1124268 ... 5154804 5332269 HRTIMER: 12224 68926 ... 25497 24272 RCU: 1469356 972856 ... 5961737 5917455
void raise_softirq(unsigned int nr) {
local_irq_save(flags); // 关闭 IRQ
raise_softirq_irqoff(nr); // 唤醒 ksoftirqd 线程（但执行不在这里，在 ksoftirqd 线程中）
local_irq_restore(flags); // 打开 IRQ
}
if (!in_interrupt())
wakeup_softirqd();
static void wakeup_softirqd(void) {
struct task_struct *tsk = __this_cpu_read(ksoftirqd);
if (tsk && tsk->state != TASK_RUNNING)
wake_up_process(tsk);
}
以收包软中断为例， IRQ handler 并不执行 NAPI，只是触发它，在里面会执行到 raise NET_RX_SOFTIRQ；真正的执行在 softirq，里面会调用网卡的 poll() 方法收包。IRQ handler 中会调用 napi_schedule()，然后启动 NAPI poll()。
如果对内核源码有一定了解就会发现，softirq 用到的地方非常少，原因之一就是上面提到的，它是静态编译的， 靠内置的 ksoftirqd 线程来调度内置的那 9 种 softirq。如果想新加一种，就得修改并重新编译内核， 所以开发成本非常高。
实际上，实现推迟执行的更常用方式 tasklet。它构建在 softirq 机制之上， 具体来说就是使用了上面提到的两种 softirq：
HI_SOFTIRQTASKLET_SOFTIRQ换句话说，tasklet 是可以在运行时（runtime）创建和初始化的 softirq，
void __init softirq_init(void) {
for_each_possible_cpu(cpu) {
per_cpu(tasklet_vec, cpu).tail = &per_cpu(tasklet_vec, cpu).head;
per_cpu(tasklet_hi_vec, cpu).tail = &per_cpu(tasklet_hi_vec, cpu).head;
}
open_softirq(TASKLET_SOFTIRQ, tasklet_action);
open_softirq(HI_SOFTIRQ, tasklet_hi_action);
}
内核软中断子系统初始化了两个 per-cpu 变量：
struct tasklet_struct {
struct tasklet_struct *next;
unsigned long state;
atomic_t count;
void (*func)(unsigned long);
unsigned long data;
};
tasklet 再执行针对 list 的循环：
static void tasklet_action(struct softirq_action *a)
{
local_irq_disable();
list = __this_cpu_read(tasklet_vec.head);
__this_cpu_write(tasklet_vec.head, NULL);
__this_cpu_write(tasklet_vec.tail, this_cpu_ptr(&tasklet_vec.head));
local_irq_enable();
while (list) {
if (tasklet_trylock(t)) {
t->func(t->data);
tasklet_unlock(t);
}
...
}
}
tasklet 在内核中的使用非常广泛。不过，后面又出现了第三种方式：workqueue。
这也是一种推迟执行机制，与 tasklet 有点类似，但也有很大不同。
// Documentation/core-api/workqueue.rst： There are many cases where an asynchronous process execution context is needed and the workqueue (wq) API is the most commonly used mechanism for such cases. When such an asynchronous execution context is needed, a work item describing which function to execute is put on a queue. An independent thread serves as the asynchronous execution context. The queue is called workqueue and the thread is called worker. While there are work items on the workqueue the worker executes the functions associated with the work items one after the other. When there is no work item left on the workqueue the worker becomes idle. When a new work item gets queued, the worker begins executing again.
简单来说，workqueue 子系统提供了一个接口，通过这个接口可以创建内核线程来处理从其他地方 enqueue 过来的任务。这些内核线程就称为 worker threads，内置的 per-cpu worker threads：
$ systemd-cgls -k | grep kworker ├─ 5 [kworker/0:0H] ├─ 15 [kworker/1:0H] ├─ 20 [kworker/2:0H] ├─ 25 [kworker/3:0H]
// include/linux/workqueue.h
struct worker_pool {
spinlock_t lock;
int cpu;
int node;
int id;
unsigned int flags;
struct list_head worklist;
int nr_workers;
...
struct work_struct {
atomic_long_t data;
struct list_head entry;
work_func_t func;
struct lockdep_map lockdep_map;
};
kworker 线程调度 workqueues，原理与 ksoftirqd 线程调度 softirqs 一样。但是我们可以为 workqueue 创建新的线程，而 softirq 则不行。
[1]Interrupts and Interrupt Handling: https://0xax.gitbooks.io/linux-insides/content/Interrupts/linux-interrupts-9.html
以上是Linux 中斷（ IRQ / softirq ）基礎：原理及核心實現的詳細內容。更多資訊請關注PHP中文網其他相關文章！
