軟件中斷（softIRQ）是內(nèi)核提供的一種延遲執(zhí)行機(jī)制，它完全由軟件觸發(fā)，雖然說(shuō)是延遲機(jī)制，實(shí)際上，在大多數(shù)情況下，它與普通進(jìn)程相比，能得到更快的響應(yīng)時(shí)間。軟中斷也是其他一些內(nèi)核機(jī)制的基礎(chǔ)，比如tasklet，高分辨率timer等。
/*****************************************************************************************************/
聲明：本博內(nèi)容均由http://blog.csdn.net/droidphone原創(chuàng)，轉(zhuǎn)載請(qǐng)注明出處，謝謝！
/*****************************************************************************************************/
1. 軟件中斷的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)
1.1 struct softirq_action
內(nèi)核用softirq_action結(jié)構(gòu)管理軟件中斷的注冊(cè)和激活等操作，它的定義如下：
- struct softirq_action
- {
- void (*action)(struct softirq_action *);
- };
非常簡(jiǎn)單，只有一個(gè)用于回調(diào)的函數(shù)指針。軟件中斷的資源是有限的，內(nèi)核目前只實(shí)現(xiàn)了10種類型的軟件中斷，它們是：
- enum
- {
- HI_SOFTIRQ=0,
- TIMER_SOFTIRQ,
- NET_TX_SOFTIRQ,
- NET_RX_SOFTIRQ,
- BLOCK_SOFTIRQ,
- BLOCK_IOPOLL_SOFTIRQ,
- TASKLET_SOFTIRQ,
- SCHED_SOFTIRQ,
- HRTIMER_SOFTIRQ,
- RCU_SOFTIRQ, /* Preferable RCU should always be the last softirq */
-
- NR_SOFTIRQS
- };
內(nèi)核的開(kāi)發(fā)者們不建議我們擅自增加軟件中斷的數(shù)量，如果需要新的軟件中斷，盡可能把它們實(shí)現(xiàn)為基于軟件中斷的tasklet形式。與上面的枚舉值相對(duì)應(yīng)，內(nèi)核定義了一個(gè)softirq_action的結(jié)構(gòu)數(shù)組，每種軟中斷對(duì)應(yīng)數(shù)組中的一項(xiàng)：
- static struct softirq_action softirq_vec[NR_SOFTIRQS] __cacheline_aligned_in_smp;
1.2 irq_cpustat_t
多個(gè)軟中斷可以同時(shí)在多個(gè)cpu運(yùn)行，就算是同一種軟中斷，也有可能同時(shí)在多個(gè)cpu上運(yùn)行。內(nèi)核為每個(gè)cpu都管理著一個(gè)待決軟中斷變量（pending），它就是irq_cpustat_t：
- typedef struct {
- unsigned int __softirq_pending;
- } ____cacheline_aligned irq_cpustat_t;
- irq_cpustat_t irq_stat[NR_CPUS] ____cacheline_aligned;
__softirq_pending字段中的每一個(gè)bit，對(duì)應(yīng)著某一個(gè)軟中斷，某個(gè)bit被置位，說(shuō)明有相應(yīng)的軟中斷等待處理。
1.3 軟中斷的守護(hù)進(jìn)程ksoftirqd
在cpu的熱插拔階段，內(nèi)核為每個(gè)cpu創(chuàng)建了一個(gè)用于執(zhí)行軟件中斷的守護(hù)進(jìn)程ksoftirqd，同時(shí)定義了一個(gè)per_cpu變量用于保存每個(gè)守護(hù)進(jìn)程的task_struct結(jié)構(gòu)指針：
- DEFINE_PER_CPU(struct task_struct *, ksoftirqd);
大多數(shù)情況下，軟中斷都會(huì)在irq_exit階段被執(zhí)行，在irq_exit階段沒(méi)有處理完的軟中斷才有可能會(huì)在守護(hù)進(jìn)程中執(zhí)行。
2. 觸發(fā)軟中斷
要觸發(fā)一個(gè)軟中斷，只要調(diào)用api：raise_softirq即可，它的實(shí)現(xiàn)很簡(jiǎn)單，先是關(guān)閉本地cpu中斷，然后調(diào)用：raise_softirq_irqoff
- void raise_softirq(unsigned int nr)
- {
- unsigned long flags;
-
- local_irq_save(flags);
- raise_softirq_irqoff(nr);
- local_irq_restore(flags);
- }
再看看raise_softirq_irqoff：
- inline void raise_softirq_irqoff(unsigned int nr)
- {
- __raise_softirq_irqoff(nr);
-
- ......
- if (!in_interrupt())
- wakeup_softirqd();
- }
先是通過(guò)__raise_softirq_irqoff設(shè)置cpu的軟中斷pending標(biāo)志位（irq_stat[NR_CPUS] ），然后通過(guò)in_interrupt判斷現(xiàn)在是否在中斷上下文中，或者軟中斷是否被禁止，如果都不成立，則喚醒軟中斷的守護(hù)進(jìn)程，在守護(hù)進(jìn)程中執(zhí)行軟中斷的回調(diào)函數(shù)。否則什么也不做，軟中斷將會(huì)在中斷的退出階段被執(zhí)行。
3. 軟中斷的執(zhí)行
基于上面所說(shuō)，軟中斷的執(zhí)行既可以守護(hù)進(jìn)程中執(zhí)行，也可以在中斷的退出階段執(zhí)行。實(shí)際上，軟中斷更多的是在中斷的退出階段執(zhí)行（irq_exit），以便達(dá)到更快的響應(yīng)，加入守護(hù)進(jìn)程機(jī)制，只是擔(dān)心一旦有大量的軟中斷等待執(zhí)行，會(huì)使得內(nèi)核過(guò)長(zhǎng)地留在中斷上下文中。
3.1 在irq_exit中執(zhí)行
看看irq_exit的部分：
- void irq_exit(void)
- {
- ......
- sub_preempt_count(IRQ_EXIT_OFFSET);
- if (!in_interrupt() && local_softirq_pending())
- invoke_softirq();
- ......
- }
如果中斷發(fā)生嵌套，in_interrupt()保證了只有在最外層的中斷的irq_exit階段，invoke_interrupt才會(huì)被調(diào)用，當(dāng)然，local_softirq_pending也會(huì)實(shí)現(xiàn)判斷當(dāng)前cpu有無(wú)待決的軟中斷。代碼最終會(huì)進(jìn)入__do_softirq中，內(nèi)核會(huì)保證調(diào)用__do_softirq時(shí)，本地cpu的中斷處于關(guān)閉狀態(tài)，進(jìn)入__do_softirq：
- asmlinkage void __do_softirq(void)
- {
- ......
- pending = local_softirq_pending();
-
- __local_bh_disable((unsigned long)__builtin_return_address(0),
- SOFTIRQ_OFFSET);
- restart:
- /* Reset the pending bitmask before enabling irqs */
- set_softirq_pending(0);
-
- local_irq_enable();
-
- h = softirq_vec;
-
- do {
- if (pending & 1) {
- ......
- trace_softirq_entry(vec_nr);
- h->action(h);
- trace_softirq_exit(vec_nr);
- ......
- }
- h++;
- pending >>= 1;
- } while (pending);
-
- local_irq_disable();
-
- pending = local_softirq_pending();
- if (pending && --max_restart)
- goto restart;
-
- if (pending)
- wakeup_softirqd();
-
- lockdep_softirq_exit();
-
- __local_bh_enable(SOFTIRQ_OFFSET);
- }
- 首先取出pending的狀態(tài)；
- 禁止軟中斷，主要是為了防止和軟中斷守護(hù)進(jìn)程發(fā)生競(jìng)爭(zhēng)；
- 清除所有的軟中斷待決標(biāo)志；
- 打開(kāi)本地cpu中斷；
- 循環(huán)執(zhí)行待決軟中斷的回調(diào)函數(shù)；
- 如果循環(huán)完畢，發(fā)現(xiàn)新的軟中斷被觸發(fā)，則重新啟動(dòng)循環(huán)，直到以下條件滿足，才退出：
- 沒(méi)有新的軟中斷等待執(zhí)行；
- 循環(huán)已經(jīng)達(dá)到最大的循環(huán)次數(shù)MAX_SOFTIRQ_RESTART，目前的設(shè)定值時(shí)10次；
- 如果經(jīng)過(guò)MAX_SOFTIRQ_RESTART次循環(huán)后還未處理完，則激活守護(hù)進(jìn)程，處理剩下的軟中斷；
- 推出前恢復(fù)軟中斷；
3.2 在ksoftirqd進(jìn)程中執(zhí)行
從前面幾節(jié)的討論我們可以看出，軟中斷也可能由ksoftirqd守護(hù)進(jìn)程執(zhí)行，這要發(fā)生在以下兩種情況下：
- 在irq_exit中執(zhí)行軟中斷，但是在經(jīng)過(guò)MAX_SOFTIRQ_RESTART次循環(huán)后，軟中斷還未處理完，這種情況雖然極少發(fā)生，但畢竟有可能；
- 內(nèi)核的其它代碼主動(dòng)調(diào)用raise_softirq，而這時(shí)正好不是在中斷上下文中，守護(hù)進(jìn)程將被喚醒；
守護(hù)進(jìn)程最終也會(huì)調(diào)用__do_softirq執(zhí)行軟中斷的回調(diào)，具體的代碼位于run_ksoftirqd函數(shù)中，內(nèi)核會(huì)關(guān)閉搶占的情況下執(zhí)行__do_softirq，具體的過(guò)程這里不做討論。
4. tasklet
因?yàn)閮?nèi)核已經(jīng)定義好了10種軟中斷類型，并且不建議我們自行添加額外的軟中斷，所以對(duì)軟中斷的實(shí)現(xiàn)方式，我們主要是做一個(gè)簡(jiǎn)單的了解，對(duì)于驅(qū)動(dòng)程序的開(kāi)發(fā)者來(lái)說(shuō)，無(wú)需實(shí)現(xiàn)自己的軟中斷。但是，對(duì)于某些情況下，我們不希望一些操作直接在中斷的handler中執(zhí)行，但是又希望在稍后的時(shí)間里得到快速地處理，這就需要使用tasklet機(jī)制。 tasklet是建立在軟中斷上的一種延遲執(zhí)行機(jī)制，它的實(shí)現(xiàn)基于TASKLET_SOFTIRQ和HI_SOFTIRQ這兩個(gè)軟中斷類型。
4.1 tasklet_struct
在軟中斷的初始化函數(shù)softirq_init的最后，內(nèi)核注冊(cè)了TASKLET_SOFTIRQ和HI_SOFTIRQ這兩個(gè)軟中斷：
- void __init softirq_init(void)
- {
- ......
- open_softirq(TASKLET_SOFTIRQ, tasklet_action);
- open_softirq(HI_SOFTIRQ, tasklet_hi_action);
- }
內(nèi)核用一個(gè)tasklet_struct來(lái)表示一個(gè)tasklet，它的定義如下：
- struct tasklet_struct
- {
- struct tasklet_struct *next;
- unsigned long state;
- atomic_t count;
- void (*func)(unsigned long);
- unsigned long data;
- };
next用于把同一個(gè)cpu的tasklet鏈接成一個(gè)鏈表，state用于表示該tasklet的當(dāng)前狀態(tài)，目前只是用了最低的兩個(gè)bit，分別用于表示已經(jīng)準(zhǔn)備被調(diào)度執(zhí)行和已經(jīng)在另一個(gè)cpu上執(zhí)行：
- enum
- {
- TASKLET_STATE_SCHED, /* Tasklet is scheduled for execution */
- TASKLET_STATE_RUN /* Tasklet is running (SMP only) */
- };
原子變量count用于tasklet對(duì)tasklet_disable和tasklet_enable的計(jì)數(shù)，count為0時(shí)表示允許tasklet執(zhí)行，否則不允許執(zhí)行，每次tasklet_disable時(shí)，該值加1，tasklet_enable時(shí)該值減1。func是tasklet被執(zhí)行時(shí)的回調(diào)函數(shù)指針，data則用作回調(diào)函數(shù)func的參數(shù)。
4.2 初始化一個(gè)tasklet
有兩種辦法初始化一個(gè)tasklet，第一種是靜態(tài)初始化，使用以下兩個(gè)宏，這兩個(gè)宏定義一個(gè)tasklet_struct結(jié)構(gòu)，并用相應(yīng)的參數(shù)對(duì)結(jié)構(gòu)中的字段進(jìn)行初始化：
- DECLARE_TASKLET(name, func, data)；定義名字為name的tasklet，默認(rèn)為enable狀態(tài)，也就是count字段等于0。
- DECLARE_TASKLET_DISABLED(name, func, data)；定義名字為name的tasklet，默認(rèn)為enable狀態(tài)，也就是count字段等于1。
第二個(gè)是動(dòng)態(tài)初始化方法：先定義一個(gè)tasklet_struct，然后用tasklet_init函數(shù)進(jìn)行初始化，該方法默認(rèn)tasklet處于enable狀態(tài)：
- struct tasklet_struct tasklet_xxx;
- ......
- tasklet_init(&tasklet_xxx, func, data);
4.3 tasklet的使用方法
使能和禁止tasklet，使用以下函數(shù)：
- tasklet_disable() 通過(guò)給count字段加1來(lái)禁止一個(gè)tasklet，如果tasklet正在運(yùn)行中，則等待運(yùn)行完畢才返回（通過(guò)TASKLET_STATE_RUN標(biāo)志）。
- tasklet_disable_nosync() tasklet_disable的異步版本，它不會(huì)等待tasklet運(yùn)行完畢。
- tasklet_enable() 使能tasklet，只是簡(jiǎn)單地給count字段減1。
調(diào)度tasklet的執(zhí)行，使用以下函數(shù)：
- tasklet_schedule(struct tasklet_struct *t) 如果TASKLET_STATE_SCHED標(biāo)志為0，則置位TASKLET_STATE_SCHED，然后把tasklet掛到該cpu等待執(zhí)行的tasklet鏈表上，接著發(fā)出TASKLET_SOFTIRQ軟件中斷請(qǐng)求。
- tasklet_hi_schedule(struct tasklet_struct *t) 效果同上，區(qū)別是它發(fā)出的是HI_SOFTIRQ軟件中斷請(qǐng)求。
銷毀tasklet，使用以下函數(shù)：
- tasklet_kill(struct tasklet_struct *t) 如果tasklet處于TASKLET_STATE_SCHED狀態(tài)，或者tasklet正在執(zhí)行，則會(huì)等待tasklet執(zhí)行完畢，然后清除TASKLET_STATE_SCHED狀態(tài)。
4.4 tasklet的內(nèi)部執(zhí)行機(jī)制
內(nèi)核為每個(gè)cpu用定義了一個(gè)tasklet_head結(jié)構(gòu)，用于管理每個(gè)cpu上的tasklet的調(diào)度和執(zhí)行：
- struct tasklet_head
- {
- struct tasklet_struct *head;
- struct tasklet_struct **tail;
- };
-
- static DEFINE_PER_CPU(struct tasklet_head, tasklet_vec);
- static DEFINE_PER_CPU(struct tasklet_head, tasklet_hi_vec);
回到4.1節(jié)，我們知道，tasklet是利用TASKLET_SOFTIRQ和HI_SOFTIRQ這兩個(gè)軟中斷來(lái)實(shí)現(xiàn)的，兩個(gè)軟中斷只是有優(yōu)先級(jí)的差別，所以我們只討論TASKLET_SOFTIRQ的實(shí)現(xiàn)，TASKLET_SOFTIRQ的中斷回調(diào)函數(shù)是tasklet_action，我們看看它的代碼：
- static void tasklet_action(struct softirq_action *a)
- {
- struct tasklet_struct *list;
-
- local_irq_disable();
- list = __this_cpu_read(tasklet_vec.head);
- __this_cpu_write(tasklet_vec.head, NULL);
- __this_cpu_write(tasklet_vec.tail, &__get_cpu_var(tasklet_vec).head);
- local_irq_enable();
-
- while (list) {
- struct tasklet_struct *t = list;
-
- list = list->next;
-
- if (tasklet_trylock(t)) {
- if (!atomic_read(&t->count)) {
- if (!test_and_clear_bit(TASKLET_STATE_SCHED, &t->state))
- BUG();
- t->func(t->data);
- tasklet_unlock(t);
- continue;
- }
- tasklet_unlock(t);
- }
-
- local_irq_disable();
- t->next = NULL;
- *__this_cpu_read(tasklet_vec.tail) = t;
- __this_cpu_write(tasklet_vec.tail, &(t->next));
- __raise_softirq_irqoff(TASKLET_SOFTIRQ);
- local_irq_enable();
- }
- }
解析如下：
- 關(guān)閉本地中斷的前提下，移出當(dāng)前cpu的待處理tasklet鏈表到一個(gè)臨時(shí)鏈表后，清除當(dāng)前cpu的tasklet鏈表，之所以這樣處理，是為了處理當(dāng)前tasklet鏈表的時(shí)候，允許新的tasklet被調(diào)度進(jìn)待處理鏈表中。
- 遍歷臨時(shí)鏈表，用tasklet_trylock判斷當(dāng)前tasklet是否已經(jīng)在其他cpu上運(yùn)行，而且tasklet沒(méi)有被禁止：
- 如果沒(méi)有運(yùn)行，也沒(méi)有禁止，則清除TASKLET_STATE_SCHED狀態(tài)位，執(zhí)行tasklet的回調(diào)函數(shù)。
- 如果已經(jīng)在運(yùn)行，或者被禁止，則把該tasklet重新添加會(huì)當(dāng)前cpu的待處理tasklet鏈表上，然后觸發(fā)TASKLET_SOFTIRQ軟中斷，等待下一次軟中斷時(shí)再次執(zhí)行。
分析到這了我有個(gè)疑問(wèn)，看了上面的代碼，如果一個(gè)tasklet被tasklet_schedule后，在沒(méi)有被執(zhí)行前被tasklet_disable了，豈不是會(huì)無(wú)窮無(wú)盡地引發(fā)TASKLET_SOFTIRQ軟中斷？
通過(guò)以上的分析，我們需要注意的是，tasklet有以下幾個(gè)特征：
- 同一個(gè)tasklet只能同時(shí)在一個(gè)cpu上執(zhí)行，但不同的tasklet可以同時(shí)在不同的cpu上執(zhí)行；
- 一旦tasklet_schedule被調(diào)用，內(nèi)核會(huì)保證tasklet一定會(huì)在某個(gè)cpu上執(zhí)行一次；
- 如果tasklet_schedule被調(diào)用時(shí)，tasklet不是出于正在執(zhí)行狀態(tài)，則它只會(huì)執(zhí)行一次；
- 如果tasklet_schedule被調(diào)用時(shí)，tasklet已經(jīng)正在執(zhí)行，則它會(huì)在稍后被調(diào)度再次被執(zhí)行；
- 兩個(gè)tasklet之間如果有資源沖突，應(yīng)該要用自旋鎖進(jìn)行同步保護(hù)；
