深入解析Linux中的softirq

一、基本概念

1、softirq是什麼？

軟中斷（softirq）是一種特殊的機制，它允許內核在不影響用戶進程執行的情況下，處理異步事件。Linux內核通過將一些不屬於硬件相關的事件（如網絡數據包的接收）轉換成軟中斷的形式，從而提高了系統的響應能力。Linux中的軟中斷總共有64個，它們的編號從0-63，不同的軟中斷處理不同的異步事件。

2、如何註冊和註銷軟中斷？

Linux內核中軟中斷事件的註冊和註銷主要是由內核的模塊或驅動程序來完成的。註冊軟中斷的方式可以使用如下代碼：

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

//註冊網絡接收的軟中斷事件（softirq編號為2）
open_softirq(NET_RX_SOFTIRQ, my_netdata);  

註銷軟中斷可以使用如下代碼：

//註銷網絡接收的軟中斷事件（softirq編號為2）
softirq_disable_nosync(NET_RX_SOFTIRQ);  

二、softirq的應用

1、softirq在網絡中的應用

網絡數據包的接收是系統中的一個常見的異步事件，Linux內核使用了軟中斷機制來處理這類事件，進而提高網絡數據的處理效率。在獲取到網絡數據包之後，網卡驅動會將數據包報告給內核，內核會將數據包的處理放入網絡接收的軟中斷隊列。當系統有空閑的時間片時，內核會調用對應的軟中斷處理函數來完成數據包的處理。

//軟中斷的處理函數（softirq編號為2）
void my_net_rx_handler(struct softnet_data *my_netdata) {
    ...
}

//將接收到的網絡數據包添加到對應的軟中斷隊列中
void net_rx_action(struct sk_buff *skb) {
    ...
    local_irq_disable();
    __raise_softirq_irqoff(NET_RX_SOFTIRQ);
    local_irq_enable();
}

2、softirq在定時器中的應用

Linux內核中的定時器通常使用軟中斷來實現。在定時器超時時，內核會將定時器事件的處理插入到定時器軟中斷隊列中，當系統有空閑的時間片時，內核會調用對應的軟中斷處理函數來完成定時器事件的處理。定時器軟中斷的編號為1。

3、softirq在磁盤IO中的應用

Linux內核的磁盤IO處理中，軟中斷起着至關重要的作用。每當磁盤讀寫請求完成時，內核會將磁盤IO完成事件的處理插入到磁盤IO軟中斷隊列中，當系統有空閑的時間片時，內核會調用對應的軟中斷處理函數來完成磁盤IO事件的處理。磁盤IO軟中斷的編號為4。

三、softirq與硬中斷的區別

1、softirq和硬中斷的觸發時機

硬中斷是由硬件設備觸發的中斷，它們的處理需要立即執行，以保證設備的正常工作。Linux系統採用了中斷屏蔽（禁用中斷）的方式來保證硬中斷的處理優先級最高。而軟中斷是由內核中的異步事件觸發的，它們的處理可以延遲到系統有空閑時間片時再進行。

2、softirq和硬中斷的處理方式

硬中斷是由CPU直接處理的，因此它需要快速的響應和處理，以避免設備的異常。而softirq是由內核的軟件來處理的，處理時不會出現硬件的延遲等問題。因此，軟中斷可以在適當的時間進行處理，避免了因為硬件中斷而引起的性能問題。

四、softirq的調度

1、softirq的處理方式

每當一個軟中斷事件被註冊後，內核會將其添加到軟中斷事件隊列中。當內核有空閑時間片時，它會檢查該隊列中是否有待處理的事件。如果有，內核會從隊列中取出第一個事件，並調用對應的軟中斷處理函數來完成事件的處理。

2、softirq的優先級

Linux內核中軟中斷的處理優先級是動態的，不同的軟中斷事件可以根據應用需求來設置不同的優先級。內核提供了一個函數來設置軟中斷事件的優先級：

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

其中，prio的範圍為0~7，值越小，優先級越高。默認情況下，軟中斷的優先級都是0。

五、softirq的性能優化

1、避免過多註冊軟中斷事件

在Linux內核中，軟中斷的處理是由CPU來完成的，因此過多的軟中斷事件會導致系統的性能瓶頸。為避免過多註冊軟中斷事件，可以將一些事件的處理放到內核線程中來完成，避免過多的軟中斷事件。

2、優化軟中斷處理函數的代碼

軟中斷處理函數的代碼應該盡量簡潔、高效。可以使用如下代碼來避免不必要的重複計算：

//使用local_bh_disable和local_bh_enable來禁用和恢複本地軟中斷處理
static void my_softirq_handler(unsigned long data) {
    struct my_data *mydata = (struct my_data *)data;
    ...
    //禁用本地的軟中斷處理
    local_bh_disable();  
    //處理軟中斷事件
    ...
    //恢複本地的軟中斷處理
    local_bh_enable();
}

3、避免過多的軟中斷搶佔

如果系統中有大量的軟中斷需要處理，會導致軟中斷搶佔非常頻繁，從而影響系統的響應性能。為避免這種情況，可以使用以下代碼來調度軟中斷的處理：

//使用tasklet來對軟中斷進行調度處理
static void my_softirq_handler(unsigned long data) {
    struct my_data *mydata = (struct my_data *)data;
    ...
    //調度軟中斷的處理
    tasklet_schedule(&mydata->my_tasklet);  
}

六、總結

本文對Linux內核中的softirq機制進行了全面的介紹。通過對softirq的分析，我們可以更好地理解Linux內核的異步事件處理機制，同時可以根據應用的需求來註冊和處理softirq事件，從而提高系統的性能和響應能力。