Linux softirq分析

softirq

Linux Kernel 中的 softirq（软件中断）机制是中断处理的下半部分（bottom half）的一种实现形式，用于延迟处理部分中断任务，以减少中断禁用时间、提高系统响应能力

SoftIRQ 的设计动机

中断处理通常分为：

• Top Half：快速响应中断，执行最小必要的操作。
• Bottom Half：执行耗时操作（如协议栈处理、数据拷贝）。

为了避免长时间禁用中断，Linux 提供了几种 bottom half 实现机制：

机制	描述	使用场景
softirq	静态分配、快速、非抢占	网络、块设备等
tasklet	基于 softirq、动态调度	驱动私有 bottom half
workqueue	基于线程、可阻塞	复杂、需要睡眠操作

SoftIRQ 的关键数据结构

softirq_vec

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

每种 softirq 类型有一个对应的处理函数。

SoftIRQ 编号

内核定义了最多 10 个 softirq 类型（在include/linux/interrupt.h中）：

enum {
    HI_SOFTIRQ=0,
    TIMER_SOFTIRQ,
    NET_TX_SOFTIRQ,
    NET_RX_SOFTIRQ,
    BLOCK_SOFTIRQ,
    IRQ_POLL_SOFTIRQ,
    TASKLET_SOFTIRQ,
    SCHED_SOFTIRQ,
    HRTIMER_SOFTIRQ,
    RCU_SOFTIRQ,
    NR_SOFTIRQS
};

SoftIRQ 的注册与触发

注册处理函数

在内核初始化阶段，softirq 处理函数通过 open_softirq() 注册：

void open_softirq(int nr, void (*action)(struct softirq_action *))

例如网络子系统注册：open_softirq(NET_RX_SOFTIRQ, net_rx_action);

激活 softirq

使用 raise_softirq()：

void raise_softirq(unsigned int nr)

本质上是设置当前 CPU 的 pending 标志位。

SoftIRQ 的调度执行机制

SoftIRQ 的调度由以下路径触发：

• 中断返回路径：从硬件中断处理函数返回时，检查 pending softirq。
• 时钟中断定时检查。
• 显式调用：local_bh_enable() 或 do_softirq() 触发。

do_softirq() > __do_softirq()

核心逻辑：

pending = local_softirq_pending();

for_each_set_bit(i, &pending) {
    softirq_vec[i].action(&softirq_vec[i]);
}

SoftIRQ 的局限性

• 不能睡眠：执行在中断上下文，不允许阻塞。
• 无抢占：直到所有 pending softirq 执行完才能退出。
• CPU 绑定：在触发 softirq 的 CPU 上执行，不能迁移。
• 可能导致长时间占用 CPU：尤其在网络高负载时。

SoftIRQ 的实际用途

SoftIRQ 类型	主要用途
NET_RX_SOFTIRQ	网络接收处理
NET_TX_SOFTIRQ	网络发送完成处理
BLOCK_SOFTIRQ	块设备 I/O 处理
RCU_SOFTIRQ	RCU 回调执行
TIMER_SOFTIRQ	定时器触发
TASKLET_SOFTIRQ	tasklet 支持

总结

优点	缺点
高性能、低延迟	不能阻塞、不可抢占
多核独立处理	不易管理、调试困难

SoftIRQ 是内核性能优化的重要手段，尤其适用于 网络协议栈、定时器、RCU 回调等高频场景。理解其机制对分析系统瓶颈、驱动优化非常关键。