NAPI简介

news2024/9/29 23:35:41

NAPI简介

它的核心概念就是不采用中断的方式读取数据，而代之以首先采用中断唤醒数据接收的服务程序，然后 POLL 的方法来轮询数据。NAPI是综合中断方式与轮询方式的技术。

中断的好处是响应及时，如果数据量较小，则不会占用太多的CPU事件；缺点是数据量大时，会产生过多中断，而每个中断都要消耗不少的CPU时间，从而导致效率反而不如轮询高。

轮询方式与中断方式相反，它更适合处理大量数据，因为每次轮询不需要消耗过多的CPU时间；缺点是即使只接收很少数据或不接收数据时，也要占用CPU
时间。

NAPI是两者的结合，数据量低时采用中断，数据量高时采用轮询。当有数据到达时，会触发中断处理函数执行，中断处理函数关闭中断开始处理。如果此时有数据到达，则没必要再触发中断了，因为中断处理函数中会轮询处理数据，直到没有新数据时才打开中断。很明显，数据量很低与很高时，NAPI可以发挥中断与轮询方式的优点，性能较好。如果数据量不稳定，且说高不高说低不低，则NAPI则会在两种方式切换上消耗不少时间，效率反而较低一些。

2.实现区别分析：

NAPI目前要求驱动设备提供poll 方法
非NAPI的内核接口为netif_rx()，NAPI的内核接口为napi_schedule()。
非NAPI使用共享的CPU队列softnet_data->input_pkt_queue，NAPI使用设备内存或者驱动程序的接受环。

*/
struct napi_struct {
/* The poll_list must only be managed by the entity which

 * changes the state of the NAPI_STATE_SCHED bit.  This means
 * whoever atomically sets that bit can add this napi_struct
 * to the per-CPU poll_list, and whoever clears that bit
 * can remove from the list right before clearing the bit.
   */
   struct list_head    poll_list;/* 用于加入处于轮询状态的设备队列 */
   unsigned long       state;	/* 设备的状态 */ 
   int         weight;         /* 每次处理的最大数量，非NAPI有默认值*/
   unsigned long		gro_bitmask;
   int         (*poll)(struct napi_struct *, int);/* 设备注册的轮询方法，非NAPI为process_backlog() */
   #ifdef CONFIG_NETPOLL
   int         poll_owner;
   #endif
   struct net_device	*dev;
	struct gro_list		gro_hash[GRO_HASH_BUCKETS];
	struct sk_buff		*skb;
	struct list_head	rx_list; /* Pending GRO_NORMAL skbs */
	int			rx_count; /* length of rx_list */
	struct hrtimer		timer;
	struct list_head	dev_list;
	struct hlist_node	napi_hash_node;
	unsigned int		napi_id;
	struct task_struct	*thread;
};

NAPI方式下收包流程：

链路层收包2_数据_03

链路层收包2_网络设备_04

NAPI方式下，过程如下：

1、驱动中调用netif_napi_add注册NAPI

// netif_napi_add(&eth->dummy_dev, &eth->tx_napi, mtk_napi_tx, MTK_NAPI_WEIGHT);
// netif_napi_add(&eth->dummy_dev, &eth->rx_napi[0].napi, mtk_napi_rx, MTK_NAPI_WEIGHT);

void netif_napi_add(struct net_device *dev, struct napi_struct *napi,
		    int (*poll)(struct napi_struct *, int), int weight)
{
	INIT_LIST_HEAD(&napi->poll_list);
	hrtimer_init(&napi->timer, CLOCK_MONOTONIC, HRTIMER_MODE_REL_PINNED);
	napi->timer.function = napi_watchdog;
	init_gro_hash(napi);
	napi->skb = NULL;
	INIT_LIST_HEAD(&napi->rx_list);
	napi->rx_count = 0;
	napi->poll = poll;
	if (weight > NAPI_POLL_WEIGHT)
		netdev_err_once(dev, "%s() called with weight %d\n", __func__,
				weight);
	napi->weight = weight;
	napi->dev = dev;
#ifdef CONFIG_NETPOLL
	napi->poll_owner = -1;
#endif
	set_bit(NAPI_STATE_SCHED, &napi->state);
	set_bit(NAPI_STATE_NPSVC, &napi->state);
	list_add_rcu(&napi->dev_list, &dev->napi_list);
	napi_hash_add(napi);
	/* Create kthread for this napi if dev->threaded is set.
	 * Clear dev->threaded if kthread creation failed so that
	 * threaded mode will not be enabled in napi_enable().
	 */
	if (dev->threaded && napi_kthread_create(napi))
		dev->threaded = 0;
}

NAPI 方式在硬中断处理函数中调用napi_schedule 来获取数据报文

static irqreturn_t mtk_handle_irq_rx(int irq, void *priv)
{
	struct mtk_napi *rx_napi = priv;
	struct mtk_eth *eth = rx_napi->eth;
	struct mtk_rx_ring *ring = rx_napi->rx_ring;

	if (likely(napi_schedule_prep(&rx_napi->napi))) {
		mtk_rx_irq_disable(eth, MTK_RX_DONE_INT(ring->ring_no));
		__napi_schedule(&rx_napi->napi);
	}

	return IRQ_HANDLED;
}

/* Called with irq disabled */
static inline void ____napi_schedule(struct softnet_data *sd,
				     struct napi_struct *napi)
{
	struct task_struct *thread;

	if (test_bit(NAPI_STATE_THREADED, &napi->state)) {
		/* Paired with smp_mb__before_atomic() in
		 * napi_enable()/dev_set_threaded().
		 * Use READ_ONCE() to guarantee a complete
		 * read on napi->thread. Only call
		 * wake_up_process() when it's not NULL.
		 */
		thread = READ_ONCE(napi->thread);
		if (thread) {
			if (thread->state != TASK_INTERRUPTIBLE)
				set_bit(NAPI_STATE_SCHED_THREADED, &napi->state);
			wake_up_process(thread);
			return;
		}
	}

	list_add_tail(&napi->poll_list, &sd->poll_list); //将napi->poll_list加入到sd->poll_list链表尾部
	__raise_softirq_irqoff(NET_RX_SOFTIRQ); //触发软中断，软中断处理函数中回调注册的poll接口
}

软中断处理接口net_rx_action：

static __latent_entropy void net_rx_action(struct softirq_action *h)
{
    /* 设置了两个限制：budget和time_limit。前者限制本次处理数据包的总量，后者限制本次处理总时间。
    只有二者均有剩余的情况下，才会继续处理 */
	struct softnet_data *sd = this_cpu_ptr(&softnet_data);
	unsigned long time_limit = jiffies +
		usecs_to_jiffies(netdev_budget_usecs); //设置软中断处理程序一次允许的最大执行时间2个jiffes
	int budget = netdev_budget;
	LIST_HEAD(list);
	LIST_HEAD(repoll);

	local_irq_disable();
	list_splice_init(&sd->poll_list, &list);
	local_irq_enable();

	for (;;) {
		struct napi_struct *n;

		if (list_empty(&list)) {
			if (!sd_has_rps_ipi_waiting(sd) && list_empty(&repoll))
				goto out;
			break;
		}
		/* 从sd->poll_list头部取出一个napi，即使现在硬中断抢占软中断，会把一个napi挂到pool_list的尾端软中断只会从pool_list 头部移除一个pool_list，这样不存在临界区*/
		n = list_first_entry(&list, struct napi_struct, poll_list);
		budget -= napi_poll(n, &repoll); //减去poll的数量

		/* 若时间已经过去2jiffes或无数据可poll */
		if (unlikely(budget <= 0 ||
			     time_after_eq(jiffies, time_limit))) {
			sd->time_squeeze++;
			break;
		}
	}
/*下面会有把没执行完的NAPI挂到softnet_data尾部的操作，和硬中断存在临界区，所以关闭CPU本地中断（使CPU无法响应系统硬件中断） */
	local_irq_disable();

	list_splice_tail_init(&sd->poll_list, &list);
	list_splice_tail(&repoll, &list);
	list_splice(&list, &sd->poll_list);
	if (!list_empty(&sd->poll_list))//还有数据需要处理 就打开软中断
		__raise_softirq_irqoff(NET_RX_SOFTIRQ);// 设置softirq bitmask 等待 执行软中断回调

	net_rps_action_and_irq_enable(sd); //里面会打开CPU本地中断
out:
	__kfree_skb_flush();
}

static int napi_poll(struct napi_struct *n, struct list_head *repoll)
{
	bool do_repoll = false;
	void *have;
	int work;

	list_del_init(&n->poll_list);

	have = netpoll_poll_lock(n);

	work = __napi_poll(n, &do_repoll);

	if (do_repoll)
		list_add_tail(&n->poll_list, repoll);

	netpoll_poll_unlock(have);

	return work;
}

static int __napi_poll(struct napi_struct *n, bool *repoll)
{
	int work, weight;

	weight = n->weight;

	/* This NAPI_STATE_SCHED test is for avoiding a race
	 * with netpoll's poll_napi().  Only the entity which
	 * obtains the lock and sees NAPI_STATE_SCHED set will
	 * actually make the ->poll() call.  Therefore we avoid
	 * accidentally calling ->poll() when NAPI is not scheduled.
	 */
	work = 0;
	if (test_bit(NAPI_STATE_SCHED, &n->state)) {
          /*  NAPI的napi_struct是自己构造的，该结构上的poll钩子函数也是自己定义的。
          非NAPI的napi_struct结构是默认的，也就是per cpu的softnet_data>backlog，
          其poll钩子函数为process_backlog，在net_dev_init注册。
            */
		work = n->poll(n, weight);
		trace_napi_poll(n, work, weight);
	}

	WARN_ON_ONCE(work > weight);

	if (likely(work < weight))
		return work;

	/* Drivers must not modify the NAPI state if they
	 * consume the entire weight.  In such cases this code
	 * still "owns" the NAPI instance and therefore can
	 * move the instance around on the list at-will.
	 */
	if (unlikely(napi_disable_pending(n))) {
		napi_complete(n);
		return work;
	}

	if (n->gro_bitmask) {
		/* flush too old packets
		 * If HZ < 1000, flush all packets.
		 */
		napi_gro_flush(n, HZ >= 1000);
	}

	gro_normal_list(n);

	/* Some drivers may have called napi_schedule
	 * prior to exhausting their budget.
	 */
	if (unlikely(!list_empty(&n->poll_list))) {
		pr_warn_once("%s: Budget exhausted after napi rescheduled\n",
			     n->dev ? n->dev->name : "backlog");
		return work;
	}

	*repoll = true;

	return work;
}

static int mtk_napi_rx(struct napi_struct *napi, int budget)
{
	struct mtk_napi *rx_napi = container_of(napi, struct mtk_napi, napi);
	struct mtk_eth *eth = rx_napi->eth;
	struct mtk_rx_ring *ring = rx_napi->rx_ring;
	u32 status, mask;
	int rx_done = 0;
	int remain_budget = budget;

	mtk_handle_status_irq(eth);

poll_again:
	mtk_w32(eth, MTK_RX_DONE_INT(ring->ring_no), MTK_PDMA_INT_STATUS);
	rx_done = mtk_poll_rx(napi, remain_budget, eth);

	if (unlikely(netif_msg_intr(eth))) {
		status = mtk_r32(eth, MTK_PDMA_INT_STATUS);
		mask = mtk_r32(eth, MTK_PDMA_INT_MASK);
		dev_info(eth->dev,
			 "done rx %d, intr 0x%08x/0x%x\n",
			 rx_done, status, mask);
	}
	if (rx_done == remain_budget)
		return budget;

	status = mtk_r32(eth, MTK_PDMA_INT_STATUS);
	if (status & MTK_RX_DONE_INT(ring->ring_no)) {
		remain_budget -= rx_done;
		goto poll_again;
	}

	if (napi_complete(napi))
		mtk_rx_irq_enable(eth, MTK_RX_DONE_INT(ring->ring_no));

	return rx_done + budget - remain_budget;
}

napi的状态NAPI_STATE_SCHED：

初始化时：netif_napi_add 会将 napi->state 设置set为调度状态。// set_bit(NAPI_STATE_SCHED, &napi->state);
open网卡时会enable napi，此时会clear 掉标志也就是非调度状态。// clear_bit(NAPI_STATE_SCHED, &n->state);
后续 net_rx_action 会处理报文，如果报文处理完了，就回调用napi_complete，此时会将状态设置位非调度状态，同时enable 网卡中断。

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