softirq原理以及源码分析

      Linux 的softirq机制是与SMP紧密不可分的。为此，整个softirq机制的设计与实现中自始自终都贯彻了一个思想：“谁触发，谁执行”（Who marks，Who runs），也即触发软中断的那个CPU负责执行它所触发的软中断，而且每个CPU都由它自己的软中断触发与控制机制。这个设计思想也使得softirq 机制充分利用了SMP系统的性能和特点。 多个softirq可以并行执行，甚至同一个softirq可以在多个processor上同时执行。

 

一、softirq的实现

     每个softirq在内核中通过struct softirq_action来表示，另外，通过全局属组softirq_vec标识当前内核支持的所有的softirq。

/* softirq mask and active fields moved to irq_cpustat_t in
 * asm/hardirq.h to get better cache usage. KAO
 */

struct softirq_action
{
    void    (*action)(struct softirq_action *);
};

static struct softirq_action softirq_vec[NR_SOFTIRQS] __cacheline_aligned_in_smp;

Linux内核最多可以支持32个softirq（思考：为什么是32个？），但当前只实现了10个，如下：

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
};

二、softirq处理函数

 

    struct softirq_action结构体中，只有一个函数指针成员action，即指向用户定义的softirq处理函数。当执行时，可以通过如下代码：

                     softirq_vec[i]->action(i);

    一个注册的softirq在执行之前必须被激活，术语称为"raise the softirq"。被激活的softirq通常并不会立即执行，一般会在之后的某个时刻检查当前系统中是否有被pending的softirq，如果有就去执行，Linux内核中检查是否有softirq挂起的检查点主要有以下三类：

（1）硬件中断代码返回的时候

/*
 * Exit an interrupt context. Process softirqs if needed and possible:
 */
void irq_exit(void)
{
    account_system_vtime(current);
    trace_hardirq_exit();
    sub_preempt_count(IRQ_EXIT_OFFSET);
    if (!in_interrupt() && local_softirq_pending())
        invoke_softirq();

    rcu_irq_exit();
#ifdef CONFIG_NO_HZ
    /* Make sure that timer wheel updates are propagated */
    if (idle_cpu(smp_processor_id()) && !in_interrupt() && !need_resched())
        tick_nohz_stop_sched_tick(0);
#endif
    preempt_enable_no_resched();
}

（2）ksoftirqd内核服务线程运行的时候

static int run_ksoftirqd(void * __bind_cpu)
{
    ... ...
        while (local_softirq_pending()) {
            /* Preempt disable stops cpu going offline.
             If already offline, we'll be on wrong CPU:
             don't process */
            if (cpu_is_offline((long)__bind_cpu))
                goto wait_to_die;
            do_softirq();
            preempt_enable_no_resched();
            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;
... ...
}

（3）在一些内核子系统中显示的去检查挂起的softirq

int netif_rx_ni(struct sk_buff *skb)
{
    int err;

    preempt_disable();
    err = netif_rx(skb);
    if (local_softirq_pending())
        do_softirq();
    preempt_enable();

    return err;
}

下面重点分析以下do_softirq()，了解Linux内核到底是怎么来处理softirq的。

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

    if (in_interrupt()) /*这个函数需要仔细理解???*/
        return;

    local_irq_save(flags);

    if (local_softirq_pending()) {
        curctx = current_thread_info();
        irqctx = __get_cpu_var(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));

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

    local_irq_restore(flags);
}

do_softirq主要是完成了以下几个功能：

（1）检查当前processor上是否有pending的softirq

（2）如果有pending的softirq，为softirq的处理建立新的堆栈，即建立新的软中断上下文环境

（3）处理软中断__do_softirq

这里需要重点分析一下in_interrupt（）函数的含义。在linux内核中，为了方便判断当前执行路径在哪个上下文环境中，定义了几个接口：

#define hardirq_count() (preempt_count() & HARDIRQ_MASK)
#define softirq_count() (preempt_count() & SOFTIRQ_MASK)
#define irq_count() (preempt_count() & (HARDIRQ_MASK | SOFTIRQ_MASK \
     | NMI_MASK))
/*
 * Are we doing bottom half or hardware interrupt processing?
 * Are we in a softirq context? Interrupt context?
 */
#define in_irq() (hardirq_count())
#define in_softirq() (softirq_count())
#define in_interrupt() (irq_count())
/*
 * Are we in NMI context?
 */
#define in_nmi() (preempt_count() & NMI_MASK)

从注释可以看出包括：硬件中断上下文，软件中断上下文，不可屏蔽上下文等。在这些宏中，都涉及到了preempt_count()这个宏，这个宏是一个比较重要的宏，在Linux源码中对其做了详细的注释：

/*
 * We put the hardirq and softirq counter into the preemption
 * counter. The bitmask has the following meaning:
 *
 * - bits 0-7 are the preemption count (max preemption depth: 256)
 * - bits 8-15 are the softirq count (max # of softirqs: 256)
 *
 * The hardirq count can in theory reach the same as NR_IRQS.
 * In reality, the number of nested IRQS is limited to the stack
 * size as well. For archs with over 1000 IRQS it is not practical
 * to expect that they will all nest. We give a max of 10 bits for
 * hardirq nesting. An arch may choose to give less than 10 bits.
 * m68k expects it to be 8.
 *
 * - bits 16-25 are the hardirq count (max # of nested hardirqs: 1024)
 * - bit 26 is the NMI_MASK
 * - bit 28 is the PREEMPT_ACTIVE flag
 *
 * PREEMPT_MASK: 0x000000ff
 * SOFTIRQ_MASK: 0x0000ff00
 * HARDIRQ_MASK: 0x03ff0000
 * NMI_MASK: 0x04000000
 */

从注释可以看出，preempt_count各个bit位的含义：

（1）bit0~7位表示抢占计数，即支持最大的抢占深度为256

（2）bit8~15位表示软中断计数，即支持最大的软中断的个数为256，需要注意的是，由于软中断还受制于pending状态，一个32位的变量，因此实际最大只能支持32个软中断。

（3）bit16~25位表示硬件中断嵌套层数，即最大可支持的嵌套层次为1024，实际情况下这是不可能的，因为中断的嵌套层数还受制于中断处理的栈空间的大小。

    介绍了这么多，现在了重点分析下上面提到的in_interrupt到底表示什么意思？

#define in_interrupt() (irq_count())

#define irq_count() (preempt_count() & (HARDIRQ_MASK | SOFTIRQ_MASK \

| NMI_MASK))

从其宏定义可以看出，in_interrupt宏的值是硬件中断嵌套层数，软中断计数以及可屏蔽中断三者之和。回到do_softirq的代码中，如果in_interrupt的值大于0，就不会处理软中断，意思是当有硬件中断嵌套，其他软中断以及不可屏蔽中断的情况下，不会去处理软中断。对于中断的嵌套层数以及不可屏蔽中断是比较好理解的，对于软中断，应该去分析以下，在什么地方软中断的计数会增加：

__local_bh_disable((unsigned long)__builtin_return_address(0));
static inline void __local_bh_disable(unsigned long ip)
{
    add_preempt_count(SOFTIRQ_OFFSET);
    barrier();
}
# define add_preempt_count(val)    do { preempt_count() += (val); } while (0)

从代码可以看出，禁止中断下半部分的函数会增加软中断的计数，即当有软中断的do_softirq在进行处理时，如果此时被硬件中断打断，而且在硬件中断中又激活了优先级更高的软中断，当硬件中断退出时，那么当再去执行do_softirq时，此时in_interrupt > 0，岂不是死锁了！！！希望大家指教。

实际的处理函数为__do_softirq：

asmlinkage void __do_softirq(void)
{
    struct softirq_action *h;
    __u32 pending;
    int max_restart = MAX_SOFTIRQ_RESTART; /*不启动ksoftirqd之前，最大的处理softirq的次数，经验值*/
    int cpu;

    /*取得当前被挂起的softirq，同时这里也解释了为什么Linux内核最多支持32个softirq,因为pending只有32bit*/
    pending = local_softirq_pending();
    account_system_vtime(current);

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

    cpu = smp_processor_id();
restart:
    /* Reset the pending bitmask before enabling irqs */
    set_softirq_pending(0);/*获取了pending的softirq之后，清空所有pending的softirq的标志*/

    local_irq_enable();

    h = softirq_vec;

    do {
        if (pending & 1) { /*从最低位开始，循环右移逐位处理pending的softirq*/
            int prev_count = preempt_count();
            kstat_incr_softirqs_this_cpu(h - softirq_vec);

            trace_softirq_entry(h, softirq_vec);
            h->action(h); /*执行softirq的处理函数*/
            trace_softirq_exit(h, softirq_vec);
            if (unlikely(prev_count != preempt_count())) {
                printk(KERN_ERR "huh, entered softirq %td %s %p"
                 "with preempt_count %08x,"
                 " exited with %08x?\n", h - softirq_vec,
                 softirq_to_name[h - softirq_vec],
                 h->action, prev_count, preempt_count());
                preempt_count() = prev_count;
            }

            rcu_bh_qs(cpu);
        }
        h++;
        pending >>= 1;  /*循环右移*/
    } while (pending);

    local_irq_disable();

    pending = local_softirq_pending();
    if (pending && --max_restart)  /*启动ksoftirqd的阈值*/
        goto restart;

    if (pending)  /*启动ksoftirqd去处理softirq,此时说明pending的softirq比较多，比较频繁，上面的处理过程中，又不断有softirq被pending*/
        wakeup_softirqd();

    lockdep_softirq_exit();

    account_system_vtime(current);
    _local_bh_enable();
｝

三、使用softirq

     softirq一般用在对实时性要求比较强的地方，当前的Linux内核中，只有两个子系统直接使用了softirq:网络子系统和块设备子系统。另外，增加新的softirq需要重新编译内核，因此，除非必须需要，最好考虑tasklet和kernel timer是否适合当前需要。

     如果必须需要使用softirq，那么需要考虑的一个重要的问题就是新增加的softirq的优先级，默认情况下，softirq的数值越小优先级越高，根据实际经验，新增加的softirq最好在BLOCK_SOFTIRQ和TASKLET_SOFTIRQ之间。

     softirq的处理函数通过open_softirq进行注册，此函数接收两个参数，一个是softirq的整数索引，另一个是该softirq对应的处理函数。例如在网络子系统中，注册了如下两个softirq及其处理函数：

    前面提到，软中断处理函数注册后，还需要将该软中断激活，此软中断才能被执行，激活操作是通过raise_softirq函数来实现，在网络子系统中激活代码如下：

/* Called with irq disabled */
static inline void ____napi_schedule(struct softnet_data *sd,
                 struct napi_struct *napi)
{
    list_add_tail(&napi->poll_list, &sd->poll_list);
    __raise_softirq_irqoff(NET_RX_SOFTIRQ);
}

这里的__raise_softirq_irqoff和raise_softirq的区别是，前者在事先已经关中断的情况下可以被使用，后者自己完成中断的关闭和恢复。