【深度】韦东山：一文看尽 linux对中断处理的前世今生
作者：韋東山
前言：
本文，4200字，研究代碼花了一天，寫出來花了一天；
錄視頻估計又得花半天；
真懷念以前簡單粗暴的生活啊：
拿起話筒就錄視頻，
先畫好圖？那是不需要的
文檔？那是不存在的
真是灑脫．．．．．
現在，要寫文檔，又要畫流程圖，十幾、二十分鐘的視頻，
真是漚心瀝血做出來的，
各位，別浪費了，歡迎享受
韋東山老師正在錄本文配套的視頻，明天發布。咱們先預習。
分為7點：
Linux對中斷的擴展：硬件中斷，軟件中斷
中斷處理原則1：不能嵌套
中斷處理原則2：越快越好
要處理的事情實在太多：拆分為：上半部，下半部
下半部的事情耗時不是太長：tasklet
下半部要做的事情太多并且很復雜：工作隊列
新技術：threaded irq
從2005年我接觸Linux到現在15年了，Linux中斷系統的變化并不大。比較重要的就是引入了threaded irq：使用內核線程來處理中斷。
Linux系統中有硬件中斷，也有軟件中斷。
對硬件中斷的處理有2個原則：不能嵌套，越快越好。
參考資料：
https://blog.csdn.net/myarrow/article/details/9287169
01
Linux對中斷的擴展：硬件中斷、軟件中斷
Linux系統把中斷的意義擴展了，對于按鍵中斷等硬件產生的中斷，稱之為“硬件中斷”(hard irq)。每個硬件中斷都有對應的處理函數，比如按鍵中斷、網卡中斷的處理函數肯定不一樣。
為方便理解，你可以先認為對硬件中斷的處理是用數組來實現的，數組里存放的是函數指針：
注意：上圖是簡化的，Linux中這個數組復雜多了。當發生A中斷時，對應的irq_function_A函數被調用。硬件導致該函數被調用。相對的，還可以人為地制造中斷：軟件中斷(soft irq)，如下圖所示：
注意：上圖是簡化的，Linux中這個數組復雜多了。
問題來了：
a. 軟件中斷何時生產？
由軟件決定，對于X號軟件中斷，只需要把它的flag設置為1就表示發生了該中斷。
b. 軟件中斷何時處理？
軟件中斷嘛，并不是那么十萬火急，有空再處理它好了。
什么時候有空？不能讓它一直等吧？
Linux系統中，各種硬件中斷頻繁發生，至少定時器中斷每10ms發生一次，那取個巧？
在處理寫硬件中斷后，再去處理軟件中斷？就這么辦！
有哪些軟件中斷？
查內核源碼include/linux/interrupt.h
怎么觸發軟件中斷？最核心的函數是raise_softirq，簡單地理解就是設置softirq_veq[nr]的標記位：
怎么設置軟件中斷的處理函數：
后面講到的中斷下半部tasklet就是使用軟件中斷實現的。
02
中斷處理原則1：不能嵌套
官方資料：中斷處理不能嵌套
https://git.kernel.org/pub/scm/linux/kernel/git/torvalds/linux.git/commit/?id=e58aa3d2d0cc
中斷處理函數需要調用C函數，這就需要用到棧。
中斷A正在處理的過程中，假設又發生了中斷B，那么在棧里要保存A的現場，然后處理B。
在處理B的過程中又發生了中斷C，那么在棧里要保存B的現場，然后處理C。
如果中斷嵌套突然暴發，那么棧將越來越大，棧終將耗盡。
所以，為了防止這種情況發生，也是為了簡單化中斷的處理，在Linux系統上中斷無法嵌套：即當前中斷A沒處理完之前，不會響應另一個中斷B(即使它的優先級更高)。
03
中斷處理原則2：越快越好
媽媽在家中照顧小孩時，門鈴響起，她開門取快遞：這就是中斷的處理。她取個快遞敢花上半天嗎？不怕小孩出意外嗎？
同理，在Linux系統中，中斷的處理也是越快越好。
在單芯片系統中，假設中斷處理很慢，那應用程序在這段時間內就無法執行：系統顯得很遲頓。
在SMP系統中，假設中斷處理很慢，那么正在處理這個中斷的CPU上的其他線程也無法執行。
在中斷的處理過程中，該CPU是不能進行進程調度的，所以中斷的處理要越快越好，盡早讓其他中斷能被處理──進程調度靠定時器中斷來實現。
在Linux系統中使用中斷是挺簡單的，為某個中斷irq注冊中斷處理函數handler，可以使用request_irq函數：
在handler函數中，代碼盡可能高效。
但是，處理某個中斷要做的事情就是很多，沒辦法加快。比如對于按鍵中斷，我們需要等待幾十毫秒消除機械抖動。難道要在handler中等待嗎？對于計算機來說，這可是一個段很長的時間。
怎么辦？
04
要處理的事情實在太多，拆分為：上半部、下半部
當一個中斷要耗費很多時間來處理時，它的壞處是：在這段時間內，其他中斷無法被處理。換句話說，在這段時間內，系統是關中斷的。
如果某個中斷就是要做那么多事，我們能不能把它拆分成兩部分：緊急的、不緊急的？
在handler函數里只做緊急的事，然后就重新開中斷，讓系統得以正常運行；那些不緊急的事，以后再處理，處理時是開中斷的。
中斷下半部的實現有很多種方法，講2種主要的：tasklet(小任務)、work queue(工作隊列)。
05
下半部要做的事情耗時不是太長：tasklet
假設我們把中斷分為上半部、下半部。發生中斷時，上半部下半部的代碼何時、如何被調用？
當下半部比較耗時但是能忍受，并且它的處理比較簡單時，可以用tasklet來處理下半部。tasklet是使用軟件中斷來實現。
寫字太多，不如貼代碼，代碼一目了然：
使用流程圖簡化一下：
假設硬件中斷A的上半部函數為irq_top_half_A，下半部為irq_bottom_half_A。
使用情景化的分析，才能理解上述代碼的精華。
a. 硬件中斷A處理過程中，沒有其他中斷發生：
一開始，preempt_count = 0；
上述流程圖①～⑨依次執行，上半部、下半部的代碼各執行一次。
b. 硬件中斷A處理過程中，又再次發生了中斷A：
一開始，preempt_count = 0；
執行到第⑥時，一開中斷后，中斷A又再次使得CPU跳到中斷向量表。
注意：
這時preempt_count等于1，并且中斷下半部的代碼并未執行。
CPU又從①開始再次執行中斷A的上半部代碼：
在第①步preempt_count等于2；
在第③步preempt_count等于1；
在第④步發現preempt_count等于1，所以直接結束當前第2次中斷的處理；
注意：
重點來了，第2次中斷發生后，打斷了第一次中斷的第⑦步處理。當第2次中斷處理完畢，CPU會繼續去執行第⑦步。
可以看到，發生2次硬件中斷A時，它的上半部代碼執行了2次，但是下半部代碼只執行了一次。
所以，同一個中斷的上半部、下半部，在執行時是多對一的關系。
c. 硬件中斷A處理過程中，又再次發生了中斷B：
一開始，preempt_count = 0；
執行到第⑥時，一開中斷后，中斷B又再次使得CPU跳到中斷向量表。
注意：
這時preempt_count等于1，并且中斷A下半部的代碼并未執行。
CPU又從①開始再次執行中斷B的上半部代碼：
在第①步preempt_count等于2；
在第③步preempt_count等于1；
在第④步發現preempt_count等于1，所以直接結束當前第2次中斷的處理；
注意：
重點來了，第2次中斷發生后，打斷了第一次中斷A的第⑦步處理。當第2次中斷B處理完畢，CPU會繼續去執行第⑦步。
在第⑦步里，它會去執行中斷A的下半部，也會去執行中斷B的下半部。
所以，多個中斷的下半部，是匯集在一起處理的。
總結：
a. 中斷的處理可以分為上半部，下半部
b. 中斷上半部，用來處理緊急的事，它是在關中斷的狀態下執行的
c. 中斷下半部，用來處理耗時的、不那么緊急的事，它是在開中斷的狀態下執行的
d. 中斷下半部執行時，有可能會被多次打斷，有可能會再次發生同一個中斷
e. 中斷上半部執行完后，觸發中斷下半部的處理
f. 中斷上半部、下半部的執行過程中，不能休眠：中斷休眠的話，以后誰來調度進程啊？
06
下半部要做的事情太多并且很復雜：工作隊列
在中斷下半部的執行過程中，雖然是開中斷的，期間可以處理各類中斷。但是畢竟整個中斷的處理還沒走完，這期間APP是無法執行的。
假設下半部要執行1、2分鐘，在這1、2分鐘里APP都是無法響應的。
這誰受得了？
所以，如果中斷要做的事情實在太耗時，那就不能用中斷下半部來做，而應該用內核線程來做：在中斷上半部喚醒內核線程。內核線程和APP都一樣競爭執行，APP有機會執行，系統不會卡頓。
這個內核線程是系統幫我們創建的，一般是kworker線程，內核中有很多這樣的線程：
kworker線程要去“工作隊列”(work queue)上取出一個一個“工作”(work)，來執行它里面的函數。
那我們怎么使用work、work queue呢？
a. 創建work：
你得先寫出一個函數，然后用這個函數填充一個work結構體。比如：
b. 要執行這個函數時，把work提交給work queue就可以了：
上述函數會把work提供給系統默認的work queue：system_wq，它是一個隊列。
c. 誰來執行work中的函數？
不用我們管，schedule_work函數不僅僅是把work放入隊列，還會把kworker線程喚醒。此線程搶到時間運行時，它就會從隊列中取出work，執行里面的函數。
d. 誰把work提交給work queue？
在中斷場景中，可以在中斷上半部調用schedule_work函數。
總結：
a. 很耗時的中斷處理，應該放到線程里去
b. 可以使用work、work queue
c. 在中斷上半部調用schedule_work函數，觸發work的處理
d. 既然是在線程中運行，那對應的函數可以休眠。
07
新技術：threaded irq
使用線程來處理中斷，并不是什么新鮮事。使用work就可以實現，但是需要定義work、調用schedule_work，好麻煩啊。
太懶了太懶了，就這2步你們都不愿意做。
好，內核是為懶人服務的，再殺出一個函數：
你可以只提供thread_fn，系統會為這個函數創建一個內核線程。發生中斷時，內核線程就會執行這個函數。
說你懶是開玩笑，內核開發者也不會那么在乎懶人。
以前用work來線程化的處理內核，一個worker線程只能由一個CPU執行，多個中斷的work都由同一個worker線程來處理，在單CPU系統中也只能忍著了。但是在SMP系統中，明明有那么多CPU空著，你偏偏讓多個中斷擠在這個CPU上？
新技術threaded irq，為每一個中斷都創建一個內核線程；多個中斷的內核線程可以分配到多個CPU上執行，這提高了效率。
☆ END ☆
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