Linux中断(interrupt)子系统之五:软件中断(softIRQ)
转自:http://blog.csdn.net/droidphone/article/details/7518428
软件中断(softIRQ)是内核提供的一种延迟执行机制,它完全由软件触发,虽然说是延迟机制,实际上,在大多数情况下,它与普通进程相比,能得到更快的响应时间。软中断也是其他一些内核机制的基础,比如tasklet,高分辨率timer等。
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1. 软件中断的数据结构
1.1 struct softirq_action
- struct softirq_action
- {
- void (*action)(struct softirq_action *);
- };
非常简单,只有一个用于回调的函数指针。软件中断的资源是有限的,内核目前只实现了10种类型的软件中断,它们是:
- 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
- };
内核的开发者们不建议我们擅自增加软件中断的数量,如果需要新的软件中断,尽可能把它们实现为基于软件中断的tasklet形式。与上面的枚举值相对应,内核定义了一个softirq_action的结构数组,每种软中断对应数组中的一项:
- static struct softirq_action softirq_vec[NR_SOFTIRQS] __cacheline_aligned_in_smp;
1.2 irq_cpustat_t
- typedef struct {
- unsigned int __softirq_pending;
- } ____cacheline_aligned irq_cpustat_t;
- irq_cpustat_t irq_stat[NR_CPUS] ____cacheline_aligned;
__softirq_pending字段中的每一个bit,对应着某一个软中断,某个bit被置位,说明有相应的软中断等待处理。
1.3 软中断的守护进程ksoftirqd
- DEFINE_PER_CPU(struct task_struct *, ksoftirqd);
大多数情况下,软中断都会在irq_exit阶段被执行,在irq_exit阶段没有处理完的软中断才有可能会在守护进程中执行。
2. 触发软中断
- void raise_softirq(unsigned int nr)
- {
- unsigned long flags;
- local_irq_save(flags);
- raise_softirq_irqoff(nr);
- local_irq_restore(flags);
- }
再看看raise_softirq_irqoff:
- inline void raise_softirq_irqoff(unsigned int nr)
- {
- __raise_softirq_irqoff(nr);
- ......
- if (!in_interrupt())
- wakeup_softirqd();
- }
先是通过__raise_softirq_irqoff设置cpu的软中断pending标志位(irq_stat[NR_CPUS] ),然后通过in_interrupt判断现在是否在中断上下文中,或者软中断是否被禁止,如果都不成立,则唤醒软中断的守护进程,在守护进程中执行软中断的回调函数。否则什么也不做,软中断将会在中断的退出阶段被执行。
3. 软中断的执行
3.1 在irq_exit中执行
- void irq_exit(void)
- {
- ......
- sub_preempt_count(IRQ_EXIT_OFFSET);
- if (!in_interrupt() && local_softirq_pending())
- invoke_softirq();
- ......
- }
如果中断发生嵌套,in_interrupt()保证了只有在最外层的中断的irq_exit阶段,invoke_interrupt才会被调用,当然,local_softirq_pending也会实现判断当前cpu有无待决的软中断。代码最终会进入__do_softirq中,内核会保证调用__do_softirq时,本地cpu的中断处于关闭状态,进入__do_softirq:
- asmlinkage void __do_softirq(void)
- {
- ......
- pending = local_softirq_pending();
- __local_bh_disable((unsigned long)__builtin_return_address(0),
- SOFTIRQ_OFFSET);
- restart:
- /* Reset the pending bitmask before enabling irqs */
- set_softirq_pending(0);
- local_irq_enable();
- h = softirq_vec;
- do {
- if (pending & 1) {
- ......
- trace_softirq_entry(vec_nr);
- h->action(h);
- trace_softirq_exit(vec_nr);
- ......
- }
- h++;
- pending >>= 1;
- } while (pending);
- local_irq_disable();
- pending = local_softirq_pending();
- if (pending && --max_restart)
- goto restart;
- if (pending)
- wakeup_softirqd();
- lockdep_softirq_exit();
- __local_bh_enable(SOFTIRQ_OFFSET);
- }
- 首先取出pending的状态;
- 禁止软中断,主要是为了防止和软中断守护进程发生竞争;
- 清除所有的软中断待决标志;
- 打开本地cpu中断;
- 循环执行待决软中断的回调函数;
- 如果循环完毕,发现新的软中断被触发,则重新启动循环,直到以下条件满足,才退出:
- 没有新的软中断等待执行;
- 循环已经达到最大的循环次数MAX_SOFTIRQ_RESTART,目前的设定值时10次;
- 如果经过MAX_SOFTIRQ_RESTART次循环后还未处理完,则激活守护进程,处理剩下的软中断;
- 推出前恢复软中断;
3.2 在ksoftirqd进程中执行
- 在irq_exit中执行软中断,但是在经过MAX_SOFTIRQ_RESTART次循环后,软中断还未处理完,这种情况虽然极少发生,但毕竟有可能;
- 内核的其它代码主动调用raise_softirq,而这时正好不是在中断上下文中,守护进程将被唤醒;
守护进程最终也会调用__do_softirq执行软中断的回调,具体的代码位于run_ksoftirqd函数中,内核会关闭抢占的情况下执行__do_softirq,具体的过程这里不做讨论。
4. tasklet
4.1 tasklet_struct
- void __init softirq_init(void)
- {
- ......
- open_softirq(TASKLET_SOFTIRQ, tasklet_action);
- open_softirq(HI_SOFTIRQ, tasklet_hi_action);
- }
内核用一个tasklet_struct来表示一个tasklet,它的定义如下:
- struct tasklet_struct
- {
- struct tasklet_struct *next;
- unsigned long state;
- atomic_t count;
- void (*func)(unsigned long);
- unsigned long data;
- };
next用于把同一个cpu的tasklet链接成一个链表,state用于表示该tasklet的当前状态,目前只是用了最低的两个bit,分别用于表示已经准备被调度执行和已经在另一个cpu上执行:
- enum
- {
- TASKLET_STATE_SCHED, /* Tasklet is scheduled for execution */
- TASKLET_STATE_RUN /* Tasklet is running (SMP only) */
- };
原子变量count用于tasklet对tasklet_disable和tasklet_enable的计数,count为0时表示允许tasklet执行,否则不允许执行,每次tasklet_disable时,该值加1,tasklet_enable时该值减1。func是tasklet被执行时的回调函数指针,data则用作回调函数func的参数。
4.2 初始化一个tasklet
- DECLARE_TASKLET(name, func, data);定义名字为name的tasklet,默认为enable状态,也就是count字段等于0。
- DECLARE_TASKLET_DISABLED(name, func, data);定义名字为name的tasklet,默认为enable状态,也就是count字段等于1。
第二个是动态初始化方法:先定义一个tasklet_struct,然后用tasklet_init函数进行初始化,该方法默认tasklet处于enable状态:
- struct tasklet_struct tasklet_xxx;
- ......
- tasklet_init(&tasklet_xxx, func, data);
4.3 tasklet的使用方法
- tasklet_disable() 通过给count字段加1来禁止一个tasklet,如果tasklet正在运行中,则等待运行完毕才返回(通过TASKLET_STATE_RUN标志)。
- tasklet_disable_nosync() tasklet_disable的异步版本,它不会等待tasklet运行完毕。
- tasklet_enable() 使能tasklet,只是简单地给count字段减1。
调度tasklet的执行,使用以下函数:
- tasklet_schedule(struct tasklet_struct *t) 如果TASKLET_STATE_SCHED标志为0,则置位TASKLET_STATE_SCHED,然后把tasklet挂到该cpu等待执行的tasklet链表上,接着发出TASKLET_SOFTIRQ软件中断请求。
- tasklet_hi_schedule(struct tasklet_struct *t) 效果同上,区别是它发出的是HI_SOFTIRQ软件中断请求。
销毁tasklet,使用以下函数:
- tasklet_kill(struct tasklet_struct *t) 如果tasklet处于TASKLET_STATE_SCHED状态,或者tasklet正在执行,则会等待tasklet执行完毕,然后清除TASKLET_STATE_SCHED状态。
4.4 tasklet的内部执行机制
- struct tasklet_head
- {
- struct tasklet_struct *head;
- struct tasklet_struct **tail;
- };
- static DEFINE_PER_CPU(struct tasklet_head, tasklet_vec);
- static DEFINE_PER_CPU(struct tasklet_head, tasklet_hi_vec);
回到4.1节,我们知道,tasklet是利用TASKLET_SOFTIRQ和HI_SOFTIRQ这两个软中断来实现的,两个软中断只是有优先级的差别,所以我们只讨论TASKLET_SOFTIRQ的实现,TASKLET_SOFTIRQ的中断回调函数是tasklet_action,我们看看它的代码:
- static void tasklet_action(struct softirq_action *a)
- {
- struct tasklet_struct *list;
- local_irq_disable();
- list = __this_cpu_read(tasklet_vec.head);
- __this_cpu_write(tasklet_vec.head, NULL);
- __this_cpu_write(tasklet_vec.tail, &__get_cpu_var(tasklet_vec).head);
- local_irq_enable();
- while (list) {
- struct tasklet_struct *t = list;
- list = list->next;
- if (tasklet_trylock(t)) {
- if (!atomic_read(&t->count)) {
- if (!test_and_clear_bit(TASKLET_STATE_SCHED, &t->state))
- BUG();
- t->func(t->data);
- tasklet_unlock(t);
- continue;
- }
- tasklet_unlock(t);
- }
- local_irq_disable();
- t->next = NULL;
- *__this_cpu_read(tasklet_vec.tail) = t;
- __this_cpu_write(tasklet_vec.tail, &(t->next));
- __raise_softirq_irqoff(TASKLET_SOFTIRQ);
- local_irq_enable();
- }
- }
解析如下:
- 关闭本地中断的前提下,移出当前cpu的待处理tasklet链表到一个临时链表后,清除当前cpu的tasklet链表,之所以这样处理,是为了处理当前tasklet链表的时候,允许新的tasklet被调度进待处理链表中。
- 遍历临时链表,用tasklet_trylock判断当前tasklet是否已经在其他cpu上运行,而且tasklet没有被禁止:
- 如果没有运行,也没有禁止,则清除TASKLET_STATE_SCHED状态位,执行tasklet的回调函数。
- 如果已经在运行,或者被禁止,则把该tasklet重新添加会当前cpu的待处理tasklet链表上,然后触发TASKLET_SOFTIRQ软中断,等待下一次软中断时再次执行。
分析到这了我有个疑问,看了上面的代码,如果一个tasklet被tasklet_schedule后,在没有被执行前被tasklet_disable了,岂不是会无穷无尽地引发TASKLET_SOFTIRQ软中断?
- 同一个tasklet只能同时在一个cpu上执行,但不同的tasklet可以同时在不同的cpu上执行;
- 一旦tasklet_schedule被调用,内核会保证tasklet一定会在某个cpu上执行一次;
- 如果tasklet_schedule被调用时,tasklet不是出于正在执行状态,则它只会执行一次;
- 如果tasklet_schedule被调用时,tasklet已经正在执行,则它会在稍后被调度再次被执行;
- 两个tasklet之间如果有资源冲突,应该要用自旋锁进行同步保护;
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