Linux-怎么理解软中断

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。

你可能要问了，为什么要有中断呢？我可以举个生活中的例子，让感受一下中断的魅力。

比如你订了一份外卖，但是不确定外卖什么时候送到，也没有别的方法了解外卖的进度，但是，配送员送外卖是不等人的，到了你这儿没人取的话，就直接走人了，所以你只能苦苦等着，时不时去门口看看外卖送到没，而不能干其他事情。

不过呢，如果在订外卖的时候，你就跟配送员约定好，让他送到后给你打个电话，那你就不用苦苦等待了，就可以去忙别的事情，直到电话一响，接电话、取外卖就可以了。

这里的“打电话”，其实就是一个中断。没接到电话的时候，你可以做其他的事情；只有接到了电话（也就是发生中断），你才要进行另一个动作：取外卖。

这个例子你就可以发现， 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。

那么还是以取外卖为例。假如你订了 2 份外卖，一份主食和一份饮料，并且是由 2 个不同的配送员来配送。这次你不用时时等待着，两份外卖都约定了电话取外卖的方式。但是，问题又来了。

当第一份外卖送到时，配送员给你打了个长长的电话，商量发票的处理方式。与此同时，第二个配送员也到了，也想给你打电话。

但是很明显，因为电话占线（也就是关闭了中断响应），第二个配送员的电话是打不通的。所以，第二个配送员很可能试几次后就走掉了（也就是丢失了一次中断）。

如果你弄清楚了“取外卖”的模式，那对系统的中断机制就很容易理解了。事实上，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：

比如说前面取外卖的例子，上半部就是你接听电话，告诉配送员你已经知道了，其他事儿见面再说，然后电话就可以挂断了；下半部才是取外卖的动作，以及见面后商量发票处理的动作。

这样，第一个配送员不会占用你太多时间，当第二个配送员过来时，照样能正常打通你的电话。

除了取外卖，我再举个最常见的网卡接收数据包的例子，让你更好地理解。

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。你可以自己先想一下，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：

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。

不知道你还记不记得，前面提到过的 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：

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：

在查看 /proc/softirqs 文件内容时，你要特别注意以下这两点。

第一，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。

第二，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。

不过你可能发现，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，刚刚提到过，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？

其实用 ps 命令就可以做到，比如执行下面的指令：

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。

Linux 中的中断处理程序分为上半部和下半部：

上半部对应硬件中断，用来快速处理中断。

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。

首先，要对软中断有一个认识，程序运行后， *** 作系统会发送程序需要的一些cpu指令到某个cpu，扔给CPU的这个过程是异步的，cpu获得指令后 *** 作完成会触发一个硬中断，并且把 *** 作的结果保存在寄存器，之后linux内核会启动ksofttrip进程去，来获取 *** 作结果，这个动作就叫做软中断。

linux默认会起n个ksofttrip进程，n等于cpu的个数，ksofttrip是死循环，只要有软中断，它就会一直去获取，n个ksoftrip获取源是一样的，为什么要起n个进程呢？就是为了 ，当某个cpu空闲，哪个就去跑。通常 *** 作系统里它的进程名是 ksoftrip/n ,n是对应的cpu的编号，ksoft进程跟cpu是一对一绑定的。

现在来说说网卡的性能问题，要想优化，首先你的网卡必须是多通道队列的。那如何知道你的网卡是否是多队列的呢？ 通过cat /proc/interrept |grep eth0|wc -l 可以看到网卡通道队列的数量.

现在来来说说优化方案，为什么要优化，因为linux默认情况所有的网卡的软中断都是的cpu0，所以加入你的ksoftrip/0总是跑满,就说明可能是网卡问题了。

方案1 ，SMP IRQ affinity技术

说白了，就是信号量分布技术，把特定信号量的处理放到固定的cpu上，每个网卡的通道队列都有一个自己的信号量。

首先查看所有网卡通道队列的信号量，方法 cat/proc/interrept |grep eth0

每行最开头的数字“n:”就是信号量，在/proc/irq/下面可以找到对应的以信号量命名的目录

找完了之后，可以进行信号量绑定了，在/proc/irq/n/下面有两个文件，分别是smp_affinity跟smp_affinity_list, 这两个是文件的内容是对应的，smp_affinity里是通过bitmask算法绑定cpu，smp_affinity_list是通过数字指定cpu编号的方法，例如 cpu0，文件里就是“0”,如果是cpu1跟2就是“1,2”

！！重点来了，虽然默认里面填写的是多个，但是！！！但是它只跑在绑定cpu中的第一个！！！坑啊！！！

所以，你要做的就是单独绑定每一个网卡的通道队列。

直接echo "1" >/proc/irq/ (cpu1的信号量)/snmp_affinity_list

echo "3" >/proc/irq/$(cpu2的信号量)/snmp_affinity_list

这个是最快速的解决方案，提升效率显著啊！！！

升级方案2，在方案1基础之上，RPS/RFS技术

此技术大家可以查网上，文章很多，优化效果是，单个网卡通道队列的软中断会平均到所有cpu上，并且会优化为，中断落在发出中断的程序所在的那个cpu上，这样节省了cpu cache。

坏消息是对单队列网卡而言，「smp_affinity」和「smp_affinity_list」配置多CPU无效。

好消息是Linux支持RPS，通俗点来说就是在软件层面模拟实现硬件的多队列网卡功能。

首先看看如何配置RPS，如果CPU个数是 8 个的话，可以设置成 ff：

shell>echo ff >/sys/class/net/eth0/queues/rx-0/rps_cpus

接着配置内核参数rps_sock_flow_entries（官方文档推荐设置： 32768）：

shell>sysctl net.core.rps_sock_flow_entries=32768

最后配置rps_flow_cnt，单队列网卡的话设置成rps_sock_flow_entries即可：

echo 32768 >/sys/class/net/eth0/queues/rx-0/rps_flow_cnt

说明：如果是多队列网卡，那么就按照队列数量设置成 rps_sock_flow_entries / N 。

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