怎么理解Linux软中断？

本文是通过学习倪朋飞老师的《Linux性能优化实战》 ：怎么理解Linux软中断？

前言

前面我们知道了iowait(也就是等待 I/O 的 CPU 使 用率)升高时的分析方法。这里你要记住，进程的不可中断状态是系统的一种保护机制， 可以保证硬件的交互过程不被意外打断。所以，短时间的不可中断状态是很正常的。

但是，当进程长时间都处于不可中断状态时，你就得当心了。这时，你可以使用 dstat、 pidstat 等工具，确认是不是磁盘 I/O 的问题，进而排查相关的进程和磁盘设备。关于磁 盘 I/O 的性能问题，你暂且不用专门去背，我会在后续的 I/O 部分详细介绍，到时候理解 了也就记住了。

其实除了 iowait，软中断(softirq)CPU 使用率升高也是最常见的一种性能问题。

中断的含义

中断是系统用来响应硬件设备请求的一种机制，它会打断进程的正常调度和执行，然后调用内核中的中断处理程序来响应设备的请求。

举个例子：
比如说我们打车，之前打车，都是在路边打出租，如果我们不去路边那么就无法打车，但是现在我们用网约车打车，在家打车，只要留好电话，车到了司机师傅给我们打电话，我们下去就行了。这里的打电话其实就是一个”中断“。没有接到电话时，我们可以做其他的事情；只要接到了司机师傅的电话（也就是发生了中断），我们才进行另一个动作：下楼乘车。

中断其实是一种异步的事件处理机制，可以提高系统的并发处理能力。

由于中断处理程序会打断其他进程的运行，所以，为了减少对正常进程运行调度的影响， 中断处理程序就需要尽可能快地运行。如果中断本身要做的事情不多，那么处理起来也不会有太大问题；但如果中断要处理的事情很多，中断服务程序就有可能要运行很长时间。

特别是，中断处理程序在响应中断时，还会临时关闭中断。这就会导致上一次中断处理完成之前，其他中断都不能响应，也就是说中断有可能会丢失。

还是以打车为例：假设在司机给你打电话时，刚好公司同事和你打了一个长长的电话，司机师傅到了，也给你打电话，显然，因为电话占线（也就是关闭了中断响应），司机师傅打不通。所以，司机师傅可能打了几次，然后取消了订单走掉了。

软中断

为了解决中断处理程序执行过长和中断丢失的问题，Linux 将中断处理过程分成了两个阶段， 也就是上半部和下半部:

• 上半部用来快速处理中断，它在中断禁止模式下运行，主要处理跟硬件紧密相关的或时间敏感的工作。
• 下半部用来延迟处理上半部未完成的工作，通常以内核线程的方式运行。

比如说前面打车的例子，上半部就是你接听电话，告诉同事你已经知道了，其他事儿见面再说，然后电话就可以挂断了;下半部才是乘车的动作，以及见面后商量事情的动作。
这样，同事不会占用你太多时间，当司机到了之后，照样能正常打通你的电话。

除了打车，再举个最常见的网卡接收数据包的例子，让我们更好地理解。

网卡接收到数据包后，会通过硬件中断的方式，通知内核有新的数据到了。这时，内核就应该调用中断处理程序来响应它。可以想一下，这种情况下的上半部和下半部分 别负责什么工作呢?

对上半部来说，既然是快速处理，其实就是要把网卡的数据读到内存中，然后更新一下硬件寄存器的状态(表示数据已经读好了)，最后再发送一个软中断信号，通知下半部做进一步的处理。

而下半部被软中断信号唤醒后，需要从内存中找到网络数据，再按照网络协议栈，对数据进行逐层解析和处理，直到把它送给应用程序。
所以，这两个阶段你也可以这样理解：

1. 上半部直接处理硬件请求，也就是我们常说的硬中断，特点是快速执行;
2. 而下半部则是由内核触发，也就是我们常说的软中断，特点是延迟执行。

实际上，上半部会打断 CPU 正在执行的任务，然后立即执行中断处理程序。而下半部以内 核线程的方式执行，并且每个 CPU 都对应一个软中断内核线程，名字为 “ksoftirqd/CPU 编号”，比如说， 0 号 CPU 对应的软中断内核线程的名字就是 ksoftirqd/0。

不过要注意的是，软中断不只包括了刚刚所讲的硬件设备中断处理程序的下半部，一些内核自定义的事件也属于软中断，比如内核调度和 RCU 锁(Read-Copy Update 的缩写， RCU 是 Linux 内核中最常用的锁之一)等。

那要怎么知道的系统里有哪些软中断呢？

查看软中断和内核线程

proc 文件系统。它是一种内核空间和用户空间进行 通信的机制，可以用来查看内核的数据结构，或者用来动态修改内核的配置。其中:

1. /proc/softirqs 提供了软中断的运行情况;
2. /proc/interrupts 提供了硬中断的运行情况。

运行下面的命令，查看 /proc/softirqs 文件的内容，你就可以看到各种类型软中断在不同 CPU 上的累积运行次数:

cat /proc/softirqs
CPU0            CPU1       CPU2       CPU3       
 HI:             0          0          0          0
TIMER:     4182865420  3331973505  4167200079 3396782781
NET_TX:     165339      98627       159267      96561
NET_RX:    2919031236    6647107 4244098012    6643117
BLOCK:         0          0          0        5433303
IRQ_POLL:      0          0          0           0
TASKLET:       294        225        340        254
SCHED:     3895363318 3078846722 3458120441 2541211398
HRTIMER:        803        1        11106        1
 RCU:     582230863    664533554  592937241   677115643

在查看 /proc/softirqs 文件内容时，要特别注意以下这两点：

1. 要注意软中断的类型，也就是这个界面中第一列的内容。从第一列你可以看到，软 中断包括了 10 个类别，分别对应不同的工作类型。比如 NET_RX 表示网络接收中断，而 NET_TX 表示网络发送中断。
2. 要注意同一种软中断在不同 CPU 上的分布情况，也就是同一行的内容。正常情况 下，同一种中断在不同 CPU 上的累积次数应该差不多。比如这个界面中，NET_RX 在 CPU0 和 CPU1 上的中断次数基本是同一个数量级，相差不大。

不过，TASKLET在不同 CPU 上的分布并不均匀。TASKLET 是最常用的软中断 实现机制，每个TASKLET 只运行一次就会结束 ，并且只在调用它的函数所在的 CPU 上 运行。

因此，使用 TASKLET 特别简便，当然也会存在一些问题，比如说由于只在一个 CPU 上运 行导致的调度不均衡，再比如因为不能在多个 CPU 上并行运行带来了性能限制。

另外，软中断实际上是以内核线程的方式运行的，每个 CPU 都对应一个软中断内核线程，这个软中断内核线程就叫做 ksoftirqd/CPU 编号。那要怎么查看这些线程的 运行状况呢?

用 ps 命令就可以做到，比如执行下面的指令:

# ps aux | grep softirq
root         9  0.0  0.0      0     0 ?        S    3月15  22:12 [ksoftirqd/0]
root        17  0.0  0.0      0     0 ?        S    3月15   0:30 [ksoftirqd/1]
root        23  0.0  0.0      0     0 ?        S    3月15  14:34 [ksoftirqd/2]
root        29  0.0  0.0      0     0 ?        S    3月15   0:26 [ksoftirqd/3]

注意，这些线程的名字外面都有中括号，这说明 ps 无法获取它们的命令行参数 (cmline)。一般来说，ps 的输出中，名字括在中括号里的，一般都是内核线程。

总结

中断是一种异步的事件处理机制，用来提高系统的并发处理能力。中断事件发生，会触发执行中断处理程序，而Linux中断处理程序被分为上半部和下半部这两个部分：

1. 上半部对应硬件中断，用来快速处理中断
2. 下半部对应软中断，用来异步处理上半部未完成的工作

Linux 中的软中断包括网络收发、定时、调度、RCU 锁等各种类型，可以通过查看 /proc/softirqs 来观察软中断的运行情况。

在 Linux 中，每个 CPU 都对应一个软中断内核线程，名字是 ksoftirqd/CPU 编号。当软中断事件的频率过高时，内核线程也会因为 CPU 使用率过高而导致软中断处理不及时，进 而引发网络收发延迟、调度缓慢等性能问题。