怎么理解Linux软中断?

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1.什么是中断
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。

2.为什么要有中断呢? "举个生活中的例子"
比如说你订了一份外卖,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。

3.中断会带来什么问题?
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,配送员给你打了个很长的电话,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)。

4.好了回到系统中的软中断?
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:
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。

5.接下来在看一个例子?
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。
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:
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;
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。

Linux软中断与硬中断小结
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、等各种类型,可以通过查看 /proc/softirqs 来观察软中断的运行情况。

f: 经常听同事说大量的网络小包会导致性能问题,为什么呢?
q:因为大量的网络小包会导致频繁的硬中断和软中断?所以大量网络小包传输很慢,但如果将网络包一次传递,是不是会快很多呢?

posted @ 2019-04-29 11:11  标杆徐  阅读(838)  评论(0编辑  收藏