深入解析Linux中的softirq

一、基本概念

1、softirq是什么？

软中断（softirq）是一种特殊的机制，它允许内核在不影响用户进程执行的情况下，处理异步事件。Linux内核通过将一些不属于硬件相关的事件（如网络数据包的接收）转换成软中断的形式，从而提高了系统的响应能力。Linux中的软中断总共有64个，它们的编号从0-63，不同的软中断处理不同的异步事件。

2、如何注册和注销软中断？

Linux内核中软中断事件的注册和注销主要是由内核的模块或驱动程序来完成的。注册软中断的方式可以使用如下代码：

struct softnet_data {
    ...
};
struct softnet_data *my_netdata;  

//注册网络接收的软中断事件（softirq编号为2）
open_softirq(NET_RX_SOFTIRQ, my_netdata);

注销软中断可以使用如下代码：

//注销网络接收的软中断事件（softirq编号为2）
softirq_disable_nosync(NET_RX_SOFTIRQ);

二、softirq的应用

1、softirq在网络中的应用

网络数据包的接收是系统中的一个常见的异步事件，Linux内核使用了软中断机制来处理这类事件，进而提高网络数据的处理效率。在获取到网络数据包之后，网卡驱动会将数据包报告给内核，内核会将数据包的处理放入网络接收的软中断队列。当系统有空闲的时间片时，内核会调用对应的软中断处理函数来完成数据包的处理。

//软中断的处理函数（softirq编号为2）
void my_net_rx_handler(struct softnet_data *my_netdata) {
    ...
}

//将接收到的网络数据包添加到对应的软中断队列中
void net_rx_action(struct sk_buff *skb) {
    ...
    local_irq_disable();
    __raise_softirq_irqoff(NET_RX_SOFTIRQ);
    local_irq_enable();
}

2、softirq在定时器中的应用

Linux内核中的定时器通常使用软中断来实现。在定时器超时时，内核会将定时器事件的处理插入到定时器软中断队列中，当系统有空闲的时间片时，内核会调用对应的软中断处理函数来完成定时器事件的处理。定时器软中断的编号为1。

3、softirq在磁盘IO中的应用

Linux内核的磁盘IO处理中，软中断起着至关重要的作用。每当磁盘读写请求完成时，内核会将磁盘IO完成事件的处理插入到磁盘IO软中断队列中，当系统有空闲的时间片时，内核会调用对应的软中断处理函数来完成磁盘IO事件的处理。磁盘IO软中断的编号为4。

三、softirq与硬中断的区别

1、softirq和硬中断的触发时机

硬中断是由硬件设备触发的中断，它们的处理需要立即执行，以保证设备的正常工作。Linux系统采用了中断屏蔽（禁用中断）的方式来保证硬中断的处理优先级最高。而软中断是由内核中的异步事件触发的，它们的处理可以延迟到系统有空闲时间片时再进行。

2、softirq和硬中断的处理方式

硬中断是由CPU直接处理的，因此它需要快速的响应和处理，以避免设备的异常。而softirq是由内核的软件来处理的，处理时不会出现硬件的延迟等问题。因此，软中断可以在适当的时间进行处理，避免了因为硬件中断而引起的性能问题。

四、softirq的调度

1、softirq的处理方式

每当一个软中断事件被注册后，内核会将其添加到软中断事件队列中。当内核有空闲时间片时，它会检查该队列中是否有待处理的事件。如果有，内核会从队列中取出第一个事件，并调用对应的软中断处理函数来完成事件的处理。

2、softirq的优先级

Linux内核中软中断的处理优先级是动态的，不同的软中断事件可以根据应用需求来设置不同的优先级。内核提供了一个函数来设置软中断事件的优先级：

int set_softirq_priority(unsigned int softirq,
                         unsigned int prio);

其中，prio的范围为0~7，值越小，优先级越高。默认情况下，软中断的优先级都是0。

五、softirq的性能优化

1、避免过多注册软中断事件

在Linux内核中，软中断的处理是由CPU来完成的，因此过多的软中断事件会导致系统的性能瓶颈。为避免过多注册软中断事件，可以将一些事件的处理放到内核线程中来完成，避免过多的软中断事件。

2、优化软中断处理函数的代码

软中断处理函数的代码应该尽量简洁、高效。可以使用如下代码来避免不必要的重复计算：

//使用local_bh_disable和local_bh_enable来禁用和恢复本地软中断处理
static void my_softirq_handler(unsigned long data) {
    struct my_data *mydata = (struct my_data *)data;
    ...
    //禁用本地的软中断处理
    local_bh_disable();  
    //处理软中断事件
    ...
    //恢复本地的软中断处理
    local_bh_enable();
}

3、避免过多的软中断抢占

如果系统中有大量的软中断需要处理，会导致软中断抢占非常频繁，从而影响系统的响应性能。为避免这种情况，可以使用以下代码来调度软中断的处理：

//使用tasklet来对软中断进行调度处理
static void my_softirq_handler(unsigned long data) {
    struct my_data *mydata = (struct my_data *)data;
    ...
    //调度软中断的处理
    tasklet_schedule(&mydata->my_tasklet);  
}

六、总结

本文对Linux内核中的softirq机制进行了全面的介绍。通过对softirq的分析，我们可以更好地理解Linux内核的异步事件处理机制，同时可以根据应用的需求来注册和处理softirq事件，从而提高系统的性能和响应能力。

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