软中断的处理详细分析

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作者：[e-mail]
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为了更好的并发性和更快的响应，软中断是网卡驱动使用bottom-half方式。软中断的处理方式有两种，一种是在各个检查点调用do_softirq去处理，还有就是由内核线程ksoftirqd周期检查，如有pending的软中断，仍然是调用do_softirq去处理。

首先看直接调用do_softirq（或__do_softirq）的地方：

1. 中断处理do_IRQ，

unsigned int __irq_entry do_IRQ(struct pt_regs *regs)
{
    ...... ......
    /* 中断处理 */
    ...... ......

    irq_exit();

    set_irq_regs(old_regs);
    return 1;
}

void irq_exit(void)
{
    ...... ......
    /* 如果不是中断中且本CPU存在pending的软中断*/
    if (!in_interrupt() && local_softirq_pending())
        invoke_softirq();
    ...... ......
}

2. 系统调用，任何interrupt或exception返回时；

3. local_bh_enable中：当然了，重新enable BH，这时只要有pending的软中断，自然要执行了；

4. 在有的书中还说在kernel的代码中，还有一些地方由于执行时间可能稍长，也会调用do_softirq处理软中断——目前看的kernel代码不够多，暂未发现。并且这点不影响今天的主题。

处理软中断的函数就是do_softirq。因为软中断的处理有些是与平台相关的，所以有的平台需要自己的实现。此处以x86平台为例，do_softirq位于arch/x86/kernel/irq_32.c。

asmlinkage void do_softirq(void)
{
    unsigned long flags;
    struct thread_info *curctx;
    union irq_ctx *irqctx;
    u32 *isp;

     /* 如果是中断中，则不执行软中断 */

    if (in_interrupt())
        return;

     /* 禁中断，并将当前的中断标志保存到flags中*/

    local_irq_save(flags);

     /* 检查是否有pending的软中断 */

    if (local_softirq_pending()) {
        /* 为软中断的运行创建环境：这个与硬件相关，无须太关心 */
        curctx = current_thread_info();
        irqctx = __this_cpu_read(softirq_ctx);
        irqctx->tinfo.task = curctx->task;
        irqctx->tinfo.previous_esp = current_stack_pointer;

        /* build the stack frame on the softirq stack */
        isp = (u32 *) ((char *)irqctx + sizeof(*irqctx));

         /* 调用真正的worker __do_softirq */

        call_on_stack(__do_softirq, isp);
        /*
         * Shouldnt happen, we returned above if in_interrupt():
         */
        WARN_ON_ONCE(softirq_count());
    }

     /* 恢复中断标志 */

    local_irq_restore(flags);
}

从这个函数看，好像在做软中断时，中断是被关掉的——这与我们的认知是不同的。实际上在真正的worker __do_softirq会enable中断。所以软中断的处理时，并没有关中断，也因此可以被中断。

下面看__do_softirq

asmlinkage void __do_softirq(void)
{
    struct softirq_action *h;
    __u32 pending;
    int max_restart = MAX_SOFTIRQ_RESTART;
    int cpu;

     /* 取得软中断的pending状态 */

    pending = local_softirq_pending();
    account_system_vtime(current);

     /* disable BH */

    __local_bh_disable((unsigned long)__builtin_return_address(0),
                SOFTIRQ_OFFSET);
    lockdep_softirq_enter();

    cpu = smp_processor_id();
restart:
    /* Reset the pending bitmask before enabling irqs */
    /*
    将pending的软中断标志清零。
    做这个操作时需要在关中断的情况下，因为中断会设置这个标志
    */
    set_softirq_pending(0);

     /* enable中断 */

    local_irq_enable();

    h = softirq_vec;

     /* 按位检测，处理所有的pending的软中断 */

    do {
        if (pending & 1) {
            unsigned int vec_nr = h - softirq_vec;
            int prev_count = preempt_count();

            kstat_incr_softirqs_this_cpu(vec_nr);

            trace_softirq_entry(vec_nr);
            /* 调用对应的软中断处理函数 */
            h->action(h);
            trace_softirq_exit(vec_nr);
            if (unlikely(prev_count != preempt_count())) {
                printk(KERN_ERR "huh, entered softirq %u %s %p"
                       "with preempt_count %08x,"
                       " exited with %08x?\n", vec_nr,
                       softirq_to_name[vec_nr], h->action,
                       prev_count, preempt_count());
                preempt_count() = prev_count;
            }

            rcu_bh_qs(cpu);
        }
        h++;
        pending >>= 1;
    } while (pending);

      

     /* 再关中断 */

    local_irq_disable();

     /* 再检查pending的软中断，因为在之前的处理软中断的过程中，很可能发生了新的中断，并设置了新的软中断标志位，所以需要再次检查 */

    pending = local_softirq_pending();
    /*
    如果有了新的pending并且没有超过最多的循环限制，那么就继续处理软中断。
    之所以要加一个最多的循环处理限制，因为在网络负载比较大的环境，网卡会产生很多软中断。如果没有循环，那么kernel就把大部分时间集中在软中断处理上，而无法处理其他工作。
    */
    if (pending && --max_restart)
        goto restart;

     /* 还有软中断剩下没有处理，那么就唤醒softirqd去处理剩下的软中断 */

    if (pending)
        wakeup_softirqd();

    lockdep_softirq_exit();

    account_system_vtime(current);
    /* enable BH*/
    __local_bh_enable(SOFTIRQ_OFFSET);
}

下面看看ksoftirqd的代码

static int run_ksoftirqd(void * __bind_cpu)
{
    set_current_state(TASK_INTERRUPTIBLE);

    while (!kthread_should_stop()) {
        preempt_disable();
        /* 检查是否有pending的软中断 */
        if (!local_softirq_pending()) {
            /* 没有，那么就调用schedule，交出CPU控制权，让其他进程执行 */
            preempt_enable_no_resched();
            schedule();
            preempt_disable();
        }

        __set_current_state(TASK_RUNNING);

         /* 有pending的软中断 */

        while (local_softirq_pending()) {
            /* Preempt disable stops cpu going offline.
             If already offline, we'll be on wrong CPU:
             don't process */
            /*
            因为ksoftirqd是运行在指定的cpu的，也就说每个cpu都有一个对应的ksoftirqd.
            所以如果cpu_is_offline为真，那么一定运行在另外一个cpu上了。这个线程就需要退出处理。
            */
            if (cpu_is_offline((long)__bind_cpu))
                goto wait_to_die;
            /* 处理软中断 */
            do_softirq();
            preempt_enable_no_resched();
            /* 根据运行的时间和其它因素，决定是否被调度出去 */
            cond_resched();
            preempt_disable();
            rcu_note_context_switch((long)__bind_cpu);
        }
        preempt_enable();
        set_current_state(TASK_INTERRUPTIBLE);
    }
    __set_current_state(TASK_RUNNING);
    return 0;

wait_to_die:
    preempt_enable();
    /* Wait for kthread_stop */
    set_current_state(TASK_INTERRUPTIBLE);
    while (!kthread_should_stop()) {
        schedule();
        set_current_state(TASK_INTERRUPTIBLE);
    }
    __set_current_state(TASK_RUNNING);
    return 0;
}

虽然ksoftirqd是一个内核线程，但是由于众多的do_softirq的调用点，所以真正由ksoftirqd处理的软中断并不多。

Ok，这就是软中断处理的详细流程分析。