【深度】韦东山：一文看尽 linux对中断处理的前世今生

前言：

录视频估计又得花半天；

真怀念以前简单粗暴的生活啊：

拿起话筒就录视频，

先画好图不需要的

文档不存在的

真是洒脱．．．．．

现在，要写文档，又要画流程图，十几、二十分钟的视频，

真是沤心沥血做出来的，

各位，别浪费了，欢迎享受

分为7点：

1. Linux对中断的扩展：硬件中断，软件中断

2. 中断处理原则1：不能嵌套

3. 中断处理原则2：越快越好

4. 要处理的事情实在太多：拆分为：上半部，下半部

5. 下半部的事情耗时不是太长：tasklet

6. 下半部要做的事情太多并且很复杂：工作队列

7. 新技术：threaded irq

从2005年我接触Linux到现在15年了，Linux中断系统的变化并不大。比较重要的就是引入了threaded irq：使用内核线程来处理中断。

Linux系统中有硬件中断，也有软件中断。

对硬件中断的处理有2个原则：不能嵌套，越快越好。

参考资料：

https://blog.csdn.net/myarrow/article/details/9287169

01

Linux对中断的扩展：硬件中断、软件中断

Linux系统把中断的意义扩展了，对于按键中断等硬件产生的中断，称之为“硬件中断”(hard irq)。每个硬件中断都有对应的处理函数，比如按键中断、 卡中断的处理函数肯定不一样。

为方便理解，你可以先认为对硬件中断的处理是用数组来实现的，数组里存放的是函数指针：

注意：上图是简化的，Linux中这个数组复杂多了。

问题来了：

a. 软件中断何时生产strong>

由软件决定，对于X 软件中断，只需要把它的flag设置为1就表示发生了该中断。

b. 软件中断何时处理strong>

软件中断嘛，并不是那么十万火急，有空再处理它好了。

什么时候有空让它一直等吧p>

Linux系统中，各种硬件中断频繁发生，至少定时器中断每10ms发生一次，那取个巧p>

在处理写硬件中断后，再去处理软件中断么办！

有哪些软件中断p>

查内核源码include/linux/interrupt.h

怎么设置软件中断的处理函数：

在handler函数中，代码尽可能高效。

但是，处理某个中断要做的事情就是很多，没办法加快。比如对于按键中断，我们需要等待几十毫秒消除机械抖动。难道要在handler中等待吗计算机来说，这可是一个段很长的时间。

怎么办p>

04

要处理的事情实在太多，拆分为：上半部、下半部

当一个中断要耗费很多时间来处理时，它的坏处是：在这段时间内，其他中断无法被处理。换句话说，在这段时间内，系统是关中断的。

如果某个中断就是要做那么多事，我们能不能把它拆分成两部分：紧急的、不紧急的p>

在handler函数里只做紧急的事，然后就重新开中断，让系统得以正常运行；那些不紧急的事，以后再处理，处理时是开中断的。

写字太多，不如贴代码，代码一目了然：

假设硬件中断A的上半部函数为irq_top_half_A，下半部为irq_bottom_half_A。

使用情景化的分析，才能理解上述代码的精华。

a. 硬件中断A处理过程中，没有其他中断发生：

一开始，preempt_count = 0；

上述流程图①～⑨依次执行，上半部、下半部的代码各执行一次。

b. 硬件中断A处理过程中，又再次发生了中断A：

一开始，preempt_count = 0；

执行到第⑥时，一开中断后，中断A又再次使得CPU跳到中断向量表。

注意：

这时preempt_count等于1，并且中断下半部的代码并未执行。

CPU又从①开始再次执行中断A的上半部代码：

在第①步preempt_count等于2；

在第③步preempt_count等于1；

在第④步发现preempt_count等于1，所以直接结束当前第2次中断的处理；

注意：

重点来了，第2次中断发生后，打断了第一次中断的第⑦步处理。当第2次中断处理完毕，CPU会继续去执行第⑦步。

可以看到，发生2次硬件中断A时，它的上半部代码执行了2次，但是下半部代码只执行了一次。

所以，同一个中断的上半部、下半部，在执行时是多对一的关系。

c. 硬件中断A处理过程中，又再次发生了中断B：

一开始，preempt_count = 0；

执行到第⑥时，一开中断后，中断B又再次使得CPU跳到中断向量表。

注意：

这时preempt_count等于1，并且中断A下半部的代码并未执行。

CPU又从①开始再次执行中断B的上半部代码：

在第①步preempt_count等于2；

在第③步preempt_count等于1；

在第④步发现preempt_count等于1，所以直接结束当前第2次中断的处理；

注意：

重点来了，第2次中断发生后，打断了第一次中断A的第⑦步处理。当第2次中断B处理完毕，CPU会继续去执行第⑦步。

在第⑦步里，它会去执行中断A的下半部，也会去执行中断B的下半部。

所以，多个中断的下半部，是汇集在一起处理的。

总结：

a. 中断的处理可以分为上半部，下半部

b. 中断上半部，用来处理紧急的事，它是在关中断的状态下执行的

c. 中断下半部，用来处理耗时的、不那么紧急的事，它是在开中断的状态下执行的

d. 中断下半部执行时，有可能会被多次打断，有可能会再次发生同一个中断

e. 中断上半部执行完后，触发中断下半部的处理

f. 中断上半部、下半部的执行过程中，不能休眠：中断休眠的话，以后谁来调度进程啊p>

06

下半部要做的事情太多并且很复杂：工作队列

在中断下半部的执行过程中，虽然是开中断的，期间可以处理各类中断。但是毕竟整个中断的处理还没走完，这期间APP是无法执行的。

假设下半部要执行1、2分钟，在这1、2分钟里APP都是无法响应的。

这谁受得了p>

所以，如果中断要做的事情实在太耗时，那就不能用中断下半部来做，而应该用内核线程来做：在中断上半部唤醒内核线程。内核线程和APP都一样竞争执行，APP有机会执行，系统不会卡顿。

这个内核线程是系统帮我们创建的，一般是kworker线程，内核中有很多这样的线程：

b. 要执行这个函数时，把work提交给work queue就可以了：

你可以只提供thread_fn，系统会为这个函数创建一个内核线程。发生中断时，内核线程就会执行这个函数。

说你懒是开玩笑，内核开发者也不会那么在乎懒人。

以前用work来线程化的处理内核，一个worker线程只能由一个CPU执行，多个中断的work都由同一个worker线程来处理，在单CPU系统中也只能忍着了。但是在SMP系统中，明明有那么多CPU空着，你偏偏让多个中断挤在这个CPU上p>

新技术threaded irq，为每一个中断都创建一个内核线程；多个中断的内核线程可以分配到多个CPU上执行，这提高了效率。

☆ END ☆

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