Linux中断底半部机制

Posted 2020-10-09 天地有大美而不言

参考：

Linux下半部处理之软中断 

linux中断底半部机制   

《深入理解Linux内核》软中断/tasklet/工作队列

软中断和tasklet介绍

详解操作系统中断

Linux内核：中断、软中断、tasklet

为了提高系统的响应能力和并发能力，Linux将中断处理分了上半部和下半部。当一个中断产生，调用该中断对应的处理程序(上半部)，然后告诉系统，对应的后半部可以执行了，中断处理程序立即返回，下半部会在合适的时机由操作系统调用。这样一来就大大的减少了中断处理所需要的时间。

中断上半部处理函数就是Linux中断体系结构中介绍的request_irq中注册的irq_handler_t类型的函数。

int request_irq(unsigned int irq, irq_handler_t handler, unsigned long irqflags, const char *devname, void *dev_id)

一般地，有如下特征的任务放在上半部：

1、对时间非常敏感

2、与硬件相关的

3、不能被其他中断打断的工作

以上三点之外的，考虑放在下半部。

中断底半部实现的机制有：

1.tasklet

2.工作队列work queue

3.软中断softirq

其中tasklet由软中断实现。

 

软中断实现机制

软中断可以使内核延期执行某个任务，他们的运作方式和具体的硬件类似，甚至可以说这里就是模拟的硬件中断，所以称之为软件中断也不为过。既然提到软中断，那么自然就设计到几个点：

• 软中断的注册
• 软中断的触发
• 软中断的处理

内核版本中定义了10个软中断，并且系统不建议用户自己添加软中断，所以对于软中断基本用于已定义好的功用，而如果用户需要，可以使用其中的一个类型即TASKLET_SOFTIRQ

具体的软中断类型如下：

 1 enum
 2 {
 3     HI_SOFTIRQ=0,
 4     TIMER_SOFTIRQ,
 5     NET_TX_SOFTIRQ,
 6     NET_RX_SOFTIRQ,
 7     BLOCK_SOFTIRQ,
 8     BLOCK_IOPOLL_SOFTIRQ,
 9     TASKLET_SOFTIRQ,
10     SCHED_SOFTIRQ,
11     HRTIMER_SOFTIRQ,
12     RCU_SOFTIRQ,    /* Preferable RCU should always be the last softirq */
13 
14     NR_SOFTIRQS
15 };

 每个CPU维护一个软中断位图__softirq_pending，其实是一个32位的字段，每一位对应一个软中断。处理软中断时会获取当前CPU的软中断位图，根据各个位的设置，进行处理。

typedef struct {
    unsigned int __softirq_pending;
    unsigned int local_timer_irqs;
} ____cacheline_aligned irq_cpustat_t;
irq_cpustat_t irq_stat[NR_CPUS] ____cacheline_aligned;

#define __IRQ_STAT(cpu, member)    (irq_stat[cpu].member)
/* arch independent irq_stat fields */
#define local_softirq_pending() \\
    __IRQ_STAT(smp_processor_id(), __softirq_pending)

1、软中断的注册

软中断的核心机制是一张表，类似于IDT，包含32个softirq_vec结构，该结构很简单：就是一个函数地址，每个软中断对应其中的一个，所以现在也仅仅使用前10项。

struct softirq_action
{
    void    (*action)(struct softirq_action *);
    void    *data;
};
static struct softirq_action softirq_vec[32] __cacheline_aligned_in_smp;

系统通过open_softirq函数注册一个软中断，具体就是在softirq_vec数组中根据中断号设置其对应的处理例程。

softirq_init中初始化了TASKLET相关的处理函数。

 

void open_softirq(int nr, void (*action)(struct softirq_action*), void *data)
{
    softirq_vec[nr].data = data;
    softirq_vec[nr].action = action;
}
void __init softirq_init(void)
{
    open_softirq(TASKLET_SOFTIRQ, tasklet_action, NULL);
    open_softirq(HI_SOFTIRQ, tasklet_hi_action, NULL);
}

nr是上面的一个枚举值，action便是对应软中断的处理函数。软中段执行时taskelet_action是执行的入口函数。

 1 static void tasklet_action(struct softirq_action *a)
 2 {
 3     struct tasklet_struct *list;
 4 
 5     local_irq_disable();
 6     list = __get_cpu_var(tasklet_vec).list;
 7     __get_cpu_var(tasklet_vec).list = NULL;
 8     local_irq_enable();
 9 
10     while (list) {
11         struct tasklet_struct *t = list;
12 
13         list = list->next;
14 
15         if (tasklet_trylock(t)) {
16             if (!atomic_read(&t->count)) {
17                 if (!test_and_clear_bit(TASKLET_STATE_SCHED, &t->state))
18                     BUG();
19                 t->func(t->data);
20                 tasklet_unlock(t);
21                 continue;
22             }
23             tasklet_unlock(t);
24         }
25 
26         local_irq_disable();
27         t->next = __get_cpu_var(tasklet_vec).list;
28         __get_cpu_var(tasklet_vec).list = t;
29         __raise_softirq_irqoff(TASKLET_SOFTIRQ);
30         local_irq_enable();
31     }
32 }

static void tasklet_action(struct softirq_action *a)

Linux系统通过raise_softirq函数引发一个软中断，每个CPU有个软中断位图，有32位，最多可对应32个软中断，当置位图对应位为1时，表明触发了对应的软中断。在下次系统检查是否有软中断时就会被检测得到，从而进行处理。

1 void raise_softirq(unsigned int nr)
2 {
3     unsigned long flags;
4 
5     local_irq_save(flags);
6     raise_softirq_irqoff(nr);
7     local_irq_restore(flags);
8 }

对于tasklet，在tasklet_schedule()函数中会调用到raise_softirq。

static inline void tasklet_schedule(struct tasklet_struct *t)
{
if (!test_and_set_bit(TASKLET_STATE_SCHED, &t->state))
__tasklet_schedule(t);
}

void fastcall __tasklet_schedule(struct tasklet_struct *t)
    -->struct tasklet_head per_cpu_tasklet_vec.list = t; //加入链表
    -->raise_softirq_irqoff(TASKLET_SOFTIRQ);
        -->__raise_softirq_irqoff(nr);
            -->or_softirq_pending(1UL << (nr));
                -->local_softirq_pending() |= (1UL << (nr))//即struct irq_cpustat_t irq_stat[0].__softirq_pending |= (1UL << (nr)

处理时机：

软中断大概在三个地方会被检测是否存在，如果存在会进行处理:

• 从一个硬件中断返回时
• 在ksoftirqd内核线程中
• 在那些显式检查和执行待处理的软中断的代码中

中断上下文：CPU处于处理中断上半部或者下半部，内核用in_interrupt来判断是否处于中断上下文。这是一个宏：

#define in_interrupt() (irq_count())

#define irq_count() (preempt_count() & (HARDIRQ_MASK | SOFTIRQ_MASK | NMI_MASK))

可以看到这里中断上下文包括硬件中断、软件中断、NMI中断。说到这里，出现了一个preempt_count（），LInux为每个进程的thread_info结构中维护了一个preempt_count字段，该字段是int型，因此有32位，用于支持内核抢占。当该字段为0的时候，表示当前允许内核抢占，否则不可以。具体请参考另一篇博文：Linux中的进程调度

处理过程：以从一个硬件中断返回时的情景为例分析，这也是tasklet的使用情景。

软中断的处理核心都在do_softirq函数。

asmlinkage void __exception asm_do_IRQ(unsigned int irq, struct pt_regs *regs)
    -->irq_exit();//硬件中断返回时检测软中断
        -->invoke_softirq();
            -->asmlinkage void __do_softirq(void)
                -->pending = local_softirq_pending();//获取挂起位
                    h = softirq_vec;//依次执行挂起位对应的处理函数
                    do {
                        if (pending & 1) {
                            h->action(h);
                            rcu_bh_qsctr_inc(cpu);
                        }
                        h++;
                        pending >>= 1;
                    } while (pending);

对于tasklet的软中断处理函数执行过程解析如下：

struct tasklet_struct
{
    struct tasklet_struct *next;
    unsigned long state;
    atomic_t count;
    void (*func)(unsigned long);
    unsigned long data;
};                    
static void tasklet_action(struct softirq_action *a)
    struct tasklet_struct *list = __get_cpu_var(tasklet_vec).list //查找__tasklet_schedule(struct tasklet_struct *t)时加入的链表
        -->遍历链表，执行每一个tasklet_struct结构中的func函数

 

为什么要使用工作队列work queue？（work queue和软中断的区别）
上面我们介绍的可延迟函数运行在中断上下文中（软中断的一个检查点就是do_IRQ退出的时候），于是导致了一些问题：软中断不能睡眠、不能阻塞。由于中断上下文出于内核态，没有进程切换，所以如果软中断一旦睡眠或者阻塞，将无法退出这种状态，导致内核会整个僵死。但可阻塞函数不能用在中断上下文中实现，必须要运行在进程上下文中，例如访问磁盘数据块的函数。因此，可阻塞函数不能用软中断来实现。但是它们往往又具有可延迟的特性。
因此在2.6版的内核中出现了在内核态运行的工作队列（替代了2.4内核中的任务队列）。它也具有一些可延迟函数的特点（需要被激活和延后执行），但是能够能够在不同的进程间切换，以完成不同的工作。

 关于工作队列的实现机制，参考Linux工作队列实现机制  Linux内核：工作队列