I/O中断原理

I/O中断原理

前言

在Windows内核原理-同步IO与异步IO和《高性能网络通讯原理》两篇文章中，都出现了中断这两个字。本篇文章会对中断操作的原理进行说明。

什么是中断

中断指当出现需要时，CPU暂时停止当前程序的执行转而执行处理新情况的程序和执行过程。即在程序运行过程中，系统出现了一个必须由CPU立即处理的情况，此时，CPU暂时中止程序的执行转而处理这个新的情况的过程就叫做中断。

我们知道CPU是按指令顺序进行执行的，操作系统每过大约15ms会发生一次线程调度(Windows下)，根据线程优先级先调度优先级高的线程。但是实际情况并没有那么简单，若我们接收到一个网络请求，如果要等当前线程执行完或15ms线程调度之后才去处理网络请求，网卡缓冲区很有可能会被占满，此时就发生了丢包。

中断类型

中断分为硬件中断和软件中断。

硬件中断

硬件中断即为硬件发出的中断信号，如I/O中断和硬件失效中断。

I/O中断：由I/O控制器产生，用于发送信号通知操作完成等信号。
硬件失效中断：如掉电或存储器奇偶错之类的故障。

软件中断

软件中断即为非硬件发出的中断信号，如程序中断和时钟中断。

程序中断：一些指令产生的异常(如算数移除、除数为0等)。
时钟中断：由处理器内部的计时器产生，允许操作系统以一定规程执行函数。

我们提到了操作系统每过大约15ms会进行一次线程调度，就是利用时钟中断来实现的。

I/O中断流程

本篇文章还是主要解释前几篇文章提到的I/O中断进行解释说明，因此仅以I/O中断举例，但是中断的原理和流程都是相似的。

I/O中断通过中断处理器执行中断操作。当外部设备的I/O模块准备好时，它会发送给CPU一个中断信号，CPU则会“立即”做出响应，暂停当前程序的处理去服务该I/O设备的程序。

也可能不是立即，比如同时存在多个中断，则根据实际的中断算法决定，是按中断先后顺序执行中断操作，还是按中断优先级执行。
I/O中断时硬件中断，需要硬件支持来接收中断信号。

无中断

为了更好的说明中断带来的性能提升，我们先描述一下没有中断时程序如何处理I/O操作。

当我们程序需要从硬盘读取一个文件时，会先检查内核缓存中是否有数据，若没有数据，则执行实际I/O操作。在I/O操作执行时，我们的用户线程将阻塞等待数据从硬盘写到内存中。对于用户来说线程是被阻塞的。
在实际的I/O操作过程中，若没有中断操作，CPU会不断轮询检查I/O操作是否完成，若I/O操作没有完成则继续调度其他线程，过一会儿再来检查。若操作完成，CPU将线程加入到线程就绪队列中并恢复线程上下文信息。
线程处于就绪队列，可以被操作系统调度从而继续执行读操作，此时会将数据从操作系统内核缓存读取到用户缓存中。

有中断

当我们程序需要从硬盘读取一个文件时，会先检查内核缓存中是否有数据，若没有数据，则执行实际I/O操作。在I/O操作执行时，我们的用户线程将阻塞等待数据从硬盘写到内存中。对于用户来说线程是被阻塞的。
在实际的I/O操作过程中，CPU向I/O模块(DMA控制器)发送读指令，然后就去调度其他线程。
当I/O模块(DMA控制器)I/O执行完成后，会产生中断信号在通知CPU，CPU将线程加入到线程就绪队列中并恢复线程上下文信息。
线程处于就绪队列，可以被操作系统调度从而继续执行读操作，此时会将数据从操作系统内核缓存读取到用户缓存中。

由此可知，有中断还是没有中断对于用户来说线程都是阻塞的，对于操作系统内核来说通过中断方式主动通知CPU的方式减少了线程轮询判断，提高了线程执行效率。
当然，为了进一步提高线程利用率，此时我们可以通过异步操作API执行I/O操作。
比如.Net4.5的async和await关键字，当调用异步操作后，API内部保存了相关状态机信息(回调信息)，线程继续执行其他操作，当操作系统内核读取数据完成时，线程调用回调方法恢复到await的后续操作。整个过程中线程不会因为阻塞带来导致性能损失。

中断处理

当I/O设备完成一次I/O操作时，发生以下事件：

开始I/O操作前，处理器将当前处理的相关信息如指令地址、必要的状态信息等保存到栈中，使得中断后可以恢复执行。
I/O操作完成后，设备给处理器发送一个中断信号。
处理器响应中断信号。
处理器对中断信号进行判断，若存在未响应的中断，则给产生中断信号的设备发送确认信号，确认信号使得设备取消它的中断信号。
处理器将控制前转移给中断程序中，中断程序从栈中获取之前保存的信息，使得能继续执行I/O完成时的后续操作。
处理器将中断程序入口地址载入到程序计数器中，使得处理器能继续执行下一个指令周期。

I/O中断原理

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硬件中断

软件中断

I/O中断流程

无中断

有中断

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