Linux 的中断

中断其实就是由硬件或软件所发送的一种称为IRQ（中断请求）的信号。
中断允许让设备，如键盘，串口卡，并口等设备表明它们需要CPU。
一旦CPU接收了中断请求，CPU就会暂时停止执行正在运行的程序，并且调用一个称为中断处理器或中断服务程序（interrupt service routine）的特定程序。
中断服务程序或中断处理器可以在中断向量表中找到，而这个中断向量表位于内存中的固定地址中。中断被CPU处理后，就会恢复执行之前被中断的程序。
在机器启动的时候，系统就已经识别了所有设备，并且也把相应的中断处理器加载到中断表中。

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。
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。

例如：当我们在键盘上按下一个按键时，键盘就会对CPU说，一个键已经被按下。在这种情况下，键盘的IRQ线路中的电压就会发生一次变化，而这种电压的变化就是来自设备的请求，就相当于说这个设备有一个请求需要处理。

硬中断和软中断

硬中断：

硬中断是由硬件产生的，比如，像磁盘，网卡，键盘，时钟等。每个设备或设备集都有它自己的IRQ（中断请求）。
基于IRQ，CPU可以将相应的请求分发到对应的硬件驱动上（注：硬件驱动通常是内核中的一个子程序，而不是一个独立的进程）。
处理中断的驱动是需要运行在CPU上的，因此，当中断产生的时候，CPU会中断当前正在运行的任务，来处理中断。
在有多核心的系统上，一个中断通常只能中断一颗CPU（也有一种特殊的情况，就是在大型主机上是有硬件通道的，它可以在没有主CPU的支持下，可以同时处理多个中断）。
硬中断可以直接中断CPU。它会引起内核中相关的代码被触发。对于那些需要花费一些时间去处理的进程，中断代码本身也可以被其他的硬中断中断。
对于时钟中断，内核调度代码会将当前正在运行的进程挂起，从而让其他的进程来运行。它的存在是为了让调度代码（或称为调度器）可以调度多任务。

软中断：

软中断的处理非常像硬中断。然而，它们仅仅是由当前正在运行的进程所产生的。
通常，软中断是一些对I/O的请求。这些请求会调用内核中可以调度I/O发生的程序。对于某些设备，I/O请求需要被立即处理，而磁盘I/O请求通常可以排队并且可以稍后处理。根据I/O模型的不同，进程或许会被挂起直到I/O完成，此时内核调度器就会选择另一个进程去运行。I/O可以在进程之间产生并且调度过程通常和磁盘I/O的方式是相同。
软中断仅与内核相联系。而内核主要负责对需要运行的任何其他的进程进行调度。一些内核允许设备驱动的一些部分存在于用户空间，并且当需要的时候内核也会调度这个进程去运行。
软中断并不会直接中断CPU。也只有当前正在运行的代码（或进程）才会产生软中断。这种中断是一种需要内核为正在运行的进程去做一些事情（通常为I/O）的请求。有一个特殊的软中断是Yield调用，它的作用是请求内核调度器去查看是否有一些其他的进程可以运行。

硬中断

/proc/interrupts 是中断报告文件，这个文件包含有关于哪些中断正在使用和每个处理器各被中断了多少次的信息。
Linux内核通常会在第一个CPU上处理中断，以便最大化缓存本地性。

$ cat /proc/interrupts
           CPU0
  0:        173   IO-APIC-edge      timer
  1:         10   IO-APIC-edge      i8042
  8:          0   IO-APIC-edge      rtc0
  9:          0   IO-APIC-fasteoi   acpi
 12:        155   IO-APIC-edge      i8042
 14:          0   IO-APIC-edge      ata_piix
 15:      10862   IO-APIC-edge      ata_piix
 16:      35625   IO-APIC-fasteoi   enp0s8
 18:          0   IO-APIC-fasteoi   vmwgfx
 19:       5873   IO-APIC-fasteoi   ehci_hcd:usb1, enp0s3
 21:      18620   IO-APIC-fasteoi   0000:00:0d.0, snd_intel8x0
 22:          0   IO-APIC-fasteoi   ohci_hcd:usb2
NMI:          0   Non-maskable interrupts
LOC:    1875896   Local timer interrupts
SPU:          0   Spurious interrupts
PMI:          0   Performance monitoring interrupts
IWI:      38580   IRQ work interrupts
RTR:          0   APIC ICR read retries
RES:          0   Rescheduling interrupts
CAL:          0   Function call interrupts
TLB:          0   TLB shootdowns
TRM:          0   Thermal event interrupts
THR:          0   Threshold APIC interrupts
DFR:          0   Deferred Error APIC interrupts
MCE:          0   Machine check exceptions
MCP:         37   Machine check polls
ERR:          0
MIS:          0
PIN:          0   Posted-interrupt notification event
PIW:          0   Posted-interrupt wakeup event

第一列为IRQ号
第二列表示在相应的CPU核心上被中断的次数。
NMI和LOC是系统所使用的驱动
IRQ号决定了需要被CPU处理的优先级。IRQ号越小意味着优先级越高。

硬中断主要分为两类：

非屏蔽中断(Non-maskable interrupts,即NMI）：不可以被忽略或取消
可屏蔽中断（Maskable interrupts）：可以被忽略或延迟。

常见的中断控制器：

可编程中断控制器8259A
传统的 PIC（Programmable Interrupt Controller）是由两片 8259A 风格的外部芯片以“级联”的方式连接在一起。每个芯片可处理多达 8 个不同的 IRQ。因为从 PIC 的 INT 输出线连接到主 PIC 的 IRQ2 引脚，所以可用 IRQ 线的个数达到 15 个。
高级可编程中断控制器（APIC） 8259A 只适合单 CPU 的情况，为了充分挖掘 SMP 体系结构的并行性，能够把中断传递给系统中的每个 CPU 至关重要。基于此理由，Intel 引入了一种名为 I/O 高级可编程控制器的新组件，来替代老式的 8259A 可编程中断控制器。

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。

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。

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的或时间敏感的工作。  
    - 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。

例如：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。

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。
查看软中断：

$ cat /proc/softirqs
                    CPU0
          HI:          2
       TIMER:     902318
      NET_TX:       4066
      NET_RX:      64809
       BLOCK:      29225
BLOCK_IOPOLL:          0
     TASKLET:        481
       SCHED:          0
     HRTIMER:          0
         RCU:    1525623

第一列是类型，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。

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。

例如，有可能发现，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。
由于使用 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。

$ ps fax |grep soft
    3 ?        S      0:01  \_ [ksoftirqd/0]

在 Linux 中，每个 CPU 都对应一个软中断内核线程，名字是 ksoftirqd/CPU 编号。当软中断事件的频率过高时，内核线程也会因为 CPU 使用率过高而导致软中断处理不及时，进而引发网络收发延迟、调度缓慢等性能问题。

软中断 CPU 使用率过高也是一种最常见的性能问题。

来源：oschina

链接：https://my.oschina.net/guopei/blog/4258429

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