linux中断下半部

Linux内核中的Tasklet调度机制：tasklet_schedule与softirq_init的调用关系解析 🚀

在Linux内核中，软中断（SoftIRQ） 💫 和 Tasklet 🛠️ 是实现中断下半部（Bottom Half）的核心机制。其中，softirq_init 是软中断子系统的初始化入口，而 tasklet_schedule 是Tasklet机制的调度核心。本文将揭示Linux内核如何通过它们实现高效的中断延迟任务处理。

---

一、核心机制背景 🔍

1. 软中断（SoftIRQ） ⚡

软中断是Linux内核中处理延迟敏感任务的核心框架，支持静态注册的预定义类型（如网络收发🌐、定时器⏰、Tasklet等）。其特点包括：

• 🚦优先级分层：支持多个优先级（如 HI_SOFTIRQ 高于 TASKLET_SOFTIRQ）。
• 🔄可重入性：同一软中断可在不同CPU上并行执行。
• 🔒原子性约束：运行在软中断上下文，不可睡眠。

2. Tasklet 🛠️

Tasklet是基于软中断（TASKLET_SOFTIRQ 和 HI_SOFTIRQ）的动态任务队列机制，特点包括：

• ⏳串行执行：同一Tasklet在多个CPU上不会并发执行。
• 📝动态注册：通过 tasklet_init 或 DECLARE_TASKLET 动态创建。
• ⚖️轻量级：适用于小型延迟任务（如硬件中断后的数据预处理）。

---

二、初始化：softirq_init 的职责 🛠️

softirq_init 是软中断子系统的初始化函数，在内核启动阶段（start_kernel）被调用，主要完成以下任务：

1. 初始化每CPU的Tasklet链表 🔗

void __init softirq_init(void) {
    int cpu;

    for_each_possible_cpu(cpu) {
        // 初始化普通优先级Tasklet链表
        per_cpu(tasklet_vec, cpu).tail = &per_cpu(tasklet_vec, cpu).head;
        // 初始化高优先级Tasklet链表
        per_cpu(tasklet_hi_vec, cpu).tail = &per_cpu(tasklet_hi_vec, cpu).head;
    }

    // 注册TASKLET_SOFTIRQ的处理函数
    open_softirq(TASKLET_SOFTIRQ, tasklet_action);
    // 注册HI_SOFTIRQ的处理函数
    open_softirq(HI_SOFTIRQ, tasklet_hi_action);
}

• 📂链表结构：每个CPU维护两个Tasklet链表（tasklet_vec 和 tasklet_hi_vec），分别对应普通和高优先级任务。
• 🎯尾指针优化：通过 tail 指针实现O(1)时间复杂度的链表追加操作。

2. 注册软中断处理函数 📌

• open_softirq 将软中断号与处理函数绑定：
  • TASKLET_SOFTIRQ → tasklet_action 🛠️
  • HI_SOFTIRQ → tasklet_hi_action 🔥

---

三、调度入口：tasklet_schedule 的工作流程 🚀

tasklet_schedule 是驱动开发者最常用的接口，用于将Tasklet加入调度队列。其核心步骤如下：

1. 检查并设置Tasklet状态 ✅

static inline void tasklet_schedule(struct tasklet_struct *t) {
    // 检查Tasklet是否已被调度（TASKLET_STATE_SCHED）
    if (!test_and_set_bit(TASKLET_STATE_SCHED, &t->state))
        __tasklet_schedule(t);
}

• ⚡原子操作：test_and_set_bit 确保同一Tasklet不会被重复加入队列。

2. 将Tasklet加入当前CPU链表 🔄

void __tasklet_schedule(struct tasklet_struct *t) {
    unsigned long flags;

    // 关闭本地中断，防止并发修改 🔒
    local_irq_save(flags);
    // 将Tasklet添加到链表尾部 ➕
    t->next = NULL;
    *__this_cpu_read(tasklet_vec.tail) = t;
    __this_cpu_write(tasklet_vec.tail, &t->next);
    // 触发TASKLET_SOFTIRQ软中断 🚨
    raise_softirq_irqoff(TASKLET_SOFTIRQ);
    // 恢复本地中断 🔓
    local_irq_restore(flags);
}

• 🔗链表操作：通过尾指针 tail 实现高效追加。
• 🚀触发软中断：调用 raise_softirq_irqoff 设置当前CPU的软中断挂起标志。

---

四、处理流程：软中断触发与Tasklet执行 ⚙️

当软中断被触发后，内核会在适当的时机（如中断返回时）调用 tasklet_action 或 tasklet_hi_action 处理Tasklet。

Tasklet处理函数 tasklet_action 🛠️

static void tasklet_action(struct softirq_action *a) {
    struct tasklet_struct *list;

    // 原子获取当前CPU的Tasklet链表 🔄
    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_read(tasklet_vec.head));
    local_irq_enable();

    // 遍历链表并处理每个Tasklet 🔍
    while (list) {
        struct tasklet_struct *t = list;
        list = list->next;

        // 尝试加锁（防止多CPU并发执行同一Tasklet） 🔒
        if (tasklet_trylock(t)) {
            if (!atomic_read(&t->count)) {
                // 清除调度状态，执行回调 🧹
                if (!test_and_clear_bit(TASKLET_STATE_SCHED, &t->state))
                    BUG();
                t->func(t->data);
            }
            tasklet_unlock(t);
        } else {
            // 加锁失败，重新加入链表并触发软中断 🔄
        }
    }
}

• ⛓️串行保证：tasklet_trylock 通过原子操作检查 TASKLET_STATE_RUN 标志，确保同一Tasklet不会跨CPU并发执行。

---

五、调用关系全景图 🗺️

---

六、设计哲学与性能考量 🧠

1. 🚀无锁化设计

   • 通过每CPU链表避免多核竞争。
   • 原子操作（test_and_set_bit）替代传统锁。

2. ⏳延迟处理优化

   • 合并多次Tasklet调度，减少软中断触发次数。
   • 允许在 ksoftirqd 线程中处理积压任务。

3. 🛡️实时性保障

   • 高优先级Tasklet（HI_SOFTIRQ）优先执行。
   • 限制单个软中断处理时间，防止CPU被独占。

---

七、总结 🎯

• softirq_init：在内核启动阶段初始化Tasklet框架，注册软中断处理函数。🏗️
• tasklet_schedule：在运行时动态调度Tasklet，利用软中断机制实现延迟执行。⚡
• 🤝协作关系：softirq_init 搭建舞台，tasklet_schedule 在此舞台上高效调度任务，二者共同构成Linux内核中断下半部的核心基础设施。