Linux内核中断机制深度解析：软中断、Tasklets与工作队列

常琚蕙

于 2025-06-06 09:01:36 发布

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Linux内核中断机制深度解析：软中断、Tasklets与工作队列

linux-insides-zh Linux 内核揭秘项目地址: https://gitcode.com/gh_mirrors/lin/linux-insides-zh

前言

在Linux内核的中断处理机制中，中断处理程序需要满足两个看似矛盾的要求：既要快速执行完毕，又要能够处理大量工作。为了解决这个问题，Linux内核采用了中断处理的分割机制，将中断处理分为"上半部"和"下半部"。本文将深入剖析Linux内核中三种主要的延后中断处理机制：软中断(softirq)、Tasklets和工作队列(workqueue)。

中断处理的挑战与解决方案

中断处理面临的核心矛盾在于：

快速响应：中断处理程序需要尽快执行完毕，以避免阻塞其他中断
处理大量工作：某些中断需要完成大量耗时操作

传统的解决方案是将中断处理分为两部分：

上半部(Top Half)：处理紧急、必须立即完成的工作
下半部(Bottom Half)：处理可以延后执行的非关键工作

现代Linux内核提供了三种机制来实现这种"下半部"处理：

软中断(softirq)
Tasklets
工作队列(workqueue)

软中断(softirq)机制

软中断概述

软中断是Linux内核中一种静态分配的延后中断处理机制。它运行在中断上下文中，具有较高的执行优先级。每个处理器都有自己独立的软中断处理线程(ksoftirqd/n)。

软中断的核心数据结构

软中断的核心数据结构是softirq_action，定义非常简单：

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

内核维护了一个全局的软中断向量表softirq_vec，其中包含了所有已注册的软中断：

static struct softirq_action softirq_vec[NR_SOFTIRQS] __cacheline_aligned_in_smp;

软中断类型

Linux内核预定义了10种软中断类型：

enum {
    HI_SOFTIRQ=0,       // 高优先级tasklet
    TIMER_SOFTIRQ,      // 定时器
    NET_TX_SOFTIRQ,     // 网络发送
    NET_RX_SOFTIRQ,     // 网络接收
    BLOCK_SOFTIRQ,      // 块设备
    BLOCK_IOPOLL_SOFTIRQ, // 块设备IO轮询
    TASKLET_SOFTIRQ,    // 常规tasklet
    SCHED_SOFTIRQ,      // 调度器
    HRTIMER_SOFTIRQ,    // 高精度定时器
    RCU_SOFTIRQ,        // RCU锁
    NR_SOFTIRQS         // 软中断总数
};

软中断的生命周期

注册软中断：使用open_softirq()函数注册软中断处理程序
触发软中断：使用raise_softirq()函数标记需要处理的软中断
执行软中断：内核在适当的时候调用__do_softirq()执行所有被标记的软中断

软中断的局限性

软中断的主要缺点是它们是静态分配的，无法动态注册，这限制了内核模块对软中断的使用。正是这个限制促使了Tasklets机制的出现。

Tasklets机制

Tasklets概述

Tasklets是基于软中断构建的更高层次的延后中断机制，它解决了软中断静态分配的问题，允许动态注册。Tasklets使用两种特殊的软中断：

TASKLET_SOFTIRQ：普通优先级Tasklet
HI_SOFTIRQ：高优先级Tasklet

Tasklets核心数据结构

Tasklet的核心数据结构是tasklet_struct：

struct tasklet_struct {
    struct tasklet_struct *next;  // 链表指针
    unsigned long state;         // 状态标志
    atomic_t count;              // 引用计数
    void (*func)(unsigned long); // 处理函数
    unsigned long data;          // 处理函数参数
};

Tasklets状态

Tasklet有三种主要状态：

TASKLET_STATE_SCHED：Tasklet已被调度
TASKLET_STATE_RUN：Tasklet正在运行
count：为0时Tasklet被激活，非0时被禁用

Tasklets API

Linux内核提供了一系列操作Tasklets的API：

初始化Tasklet：
- tasklet_init()：动态初始化
- DECLARE_TASKLET()：静态声明并初始化一个激活的Tasklet
- DECLARE_TASKLET_DISABLED()：静态声明并初始化一个禁用的Tasklet
调度Tasklet：
- tasklet_schedule()：调度普通优先级Tasklet
- tasklet_hi_schedule()：调度高优先级Tasklet

Tasklets特点

动态分配：可以在运行时创建和销毁
串行执行：同一类型的Tasklet不能同时在多个CPU上运行
灵活性：可以禁用和重新启用Tasklet

工作队列(workqueue)

工作队列概述

工作队列是另一种延后中断机制，它与前两种机制的关键区别在于：

软中断和Tasklets运行在中断上下文中
工作队列运行在进程上下文中

这意味着工作队列函数可以睡眠，适合执行更复杂的、可能需要阻塞的操作。

工作队列核心数据结构

工作队列的核心数据结构是work_struct：

struct work_struct {
    atomic_long_t data;         // 标志位和数据
    struct list_head entry;     // 链表节点
    work_func_t func;           // 工作函数
    // 锁依赖跟踪相关字段
};

工作队列类型

Linux内核中有两种工作队列：

共享工作队列：使用内核预定义的全局工作队列
专用工作队列：驱动程序可以创建自己的工作队列

工作队列API

创建工作：
- DECLARE_WORK()：静态声明并初始化工作
- INIT_WORK()：动态初始化工作
调度工作：
- schedule_work()：调度工作在共享队列上执行
- queue_work()：调度工作在指定队列上执行
- schedule_delayed_work()：延迟调度工作

工作队列特点

运行在进程上下文：可以睡眠和阻塞
可延迟执行：支持延迟调度
并发控制：支持工作项的取消和同步

三种机制对比

| 特性 | 软中断 | Tasklets | 工作队列 | |---------------|----------------|----------------|----------------| | 执行上下文 | 中断上下文 | 中断上下文 | 进程上下文 | | 可睡眠 | 否 | 否 | 是 | | 静态/动态 | 静态 | 动态 | 动态 | | 并发性 | 可重入 | 同一类型串行执行 | 可配置 | | 延迟保证 | 很快 | 快 | 可能有延迟 | | 适用场景 | 高性能关键路径 | 一般延迟任务 | 复杂可能阻塞的任务 |