软中断和硬中断

在操作系统中，中断（Interrupt） 是 CPU 响应外部或内部事件的一种机制，分为 硬中断（Hard Interrupt） 和 软中断（Soft Interrupt），它们在触发方式、处理时机和应用场景上有显著区别。

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1. 硬中断（Hard Interrupt）

定义

硬中断是由 硬件设备（如键盘、网卡、磁盘等）通过 中断请求线（IRQ） 向 CPU 发送的电信号触发的，要求 CPU 立即处理。

特点

• 硬件触发：由外部设备（如网卡收到数据包、键盘按键）或 CPU 异常（如除零错误、缺页）引发。
• 抢占式：CPU 会 立即暂停当前任务，保存上下文，并跳转到 中断服务程序（ISR, Interrupt Service Routine） 执行。
• 高优先级：硬中断的优先级通常高于普通进程，甚至可能屏蔽其他中断（如 Linux 的 IRQF_DISABLED 标志）。
• 快速处理：ISR 通常只做 最紧急的操作（如读取网卡数据到缓冲区），后续处理交给软中断或内核线程。

示例

• 键盘输入：按下按键时，键盘控制器发送中断信号，CPU 立即读取按键码。
• 网卡收包：网卡收到数据包后触发中断，内核将数据拷贝到内核缓冲区（后续由软中断或 ksoftirqd 处理）。

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2. 软中断（Soft Interrupt）

定义

软中断是由 软件（内核代码）主动触发 的中断机制，用于延迟处理耗时任务或实现内核内部的异步操作。

特点

• 软件触发：通过内核 API（如 raise_softirq()）主动发起，无硬件信号。
• 非抢占式：软中断不会立即执行，而是在 内核调度时机（如硬中断返回时、ksoftirqd 内核线程）处理。
• 可延迟：适合处理 耗时但非紧急 的任务（如网络协议栈处理、定时器回调）。
• 无优先级抢占：软中断运行时，一般不会被硬中断打断（除非显式允许）。

常见用途

• 网络协议栈：网卡硬中断只收包，后续 TCP/IP 解析由软中断完成。
• 定时器任务：如 jiffies 更新、进程调度统计。
• 内核线程协作：如 ksoftirqd 线程处理积压的软中断。

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3. 关键区别

特性	硬中断	软中断
触发源	硬件设备（如网卡、键盘）	内核代码（如 raise_softirq()）
响应速度	立即抢占 CPU	延迟执行（如中断返回时）
处理上下文	中断上下文（不可睡眠）	软中断上下文（不可睡眠）
优先级	最高（可屏蔽其他中断）	低于硬中断
典型应用	设备 I/O（如收包、键盘输入）	协议栈处理、定时任务

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4. 实际案例（Linux 网络收包）

1. 硬中断：网卡收到数据包，触发中断，CPU 执行 ISR 将数据拷贝到内核缓冲区（sk_buff）。
2. 软中断：硬中断返回前，标记网络软中断（NET_RX_SOFTIRQ），后续由 ksoftirqd 线程处理 TCP/IP 协议栈。
3. 用户态：数据最终通过套接字传递给应用程序。

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5. 相关问题

• 为什么需要软中断？
  硬中断必须快速执行，耗时操作（如协议栈解析）交给软中断可减少中断屏蔽时间，提高系统响应能力。

• 软中断会阻塞吗？
  不会。软中断仍在内核上下文运行，不能睡眠（与线程不同）。

• 如何查看系统中的软中断？
  在 Linux 中可通过 /proc/softirqs 查看软中断统计：

  cat /proc/softirqs
  

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总结

• 硬中断：硬件触发，立即响应，处理紧急任务（如设备 I/O）。
• 软中断：软件触发，延迟执行，处理耗时但非关键任务（如网络协议栈）。
  两者协作平衡了实时性和系统吞吐量。