软中断、Tasklet 与工作队列的机制分析

news2024/9/20 11:37:42

本文主要分析软中断、Tasklet 和工作队列的机制及其特点。

1 软中断（Softirq）

软中断是为解决在硬件中断处理过程中，由于长时间屏蔽中断导致中断响应延迟甚至丢失中断的问题而引入的机制。软中断本质上是一种在中断上下文中执行的延迟任务处理机制，它优先于所有任务的执行。

中断上下文执行: 软中断在中断回调函数执行后触发，并且会在软中断执行函数 __do_softirq 中重新开启中断，允许被打断。因此，虽然软中断在中断上下文中执行，但它是可以被其他中断打断的。
优先级: 软中断的优先级高于任何任务的优先级。同样，软中断比 tasklet 具有更高的优先级。
多核并行: 软中断在多核系统中可以并行执行，但同一个软中断类型不会跨核迁移（即在哪个核触发的软中断就在哪个核上执行）。
重入性: 由于软中断在多核上可以并行执行，因此它们的回调函数必须是可重入的，需要使用 spinlock 来保护临界区。

软中断可以在以下三个地方触发执行：

硬中断处理结束后: 在硬中断处理结束后，执行在硬中断中 raise 的软中断。
local_bh_enable()/spin_unlock_bh(): 当下半部使能时执行，执行时机具有一定的随机性（不易预测）。
ksoftirqd 线程: 当软中断正在执行或者执行时间过长时，软中断可能会在线程化的 ksoftirqd 中执行。启用实时补丁（RT Patch）后，软中断也会在线程化的 ksoftirqd 中执行。由于线程化执行方式受调度影响，执行时间更加不可预测。

静态定义: 软中断在 enum 中静态定义，不能动态申请。系统中的软中断主要用于特权机制，不会随意定义新的静态软中断类型。
全局数组管理: 所有软中断及其回调函数按照优先级索引，被定义在一个全局数组中。各类使用软中断的机制会在自己的中断处理函数中 raise 定义的软中断，随后在中断处理结束后执行这些软中断。
ksoftirqd 线程: 每个 CPU 都会创建一个 softirqd 线程，以确保未处理的软中断可以在线程中执行。软中断不会跨核触发，在哪个核 raise 的软中断，就会在哪个核执行。

Tasklet 是基于软中断的机制，用于处理需要延迟的任务。

BH（Bottom Halves）是一个历史概念，曾用于处理需要在中断上下文之外完成的任务。

工作队列是一种在进程上下文中执行延迟任务的机制。

“延迟任务”指的是不需要在中断处理程序中立即完成的任务。这些任务可以稍后执行，以减少中断处理时间，从而提高系统的响应性。

Softirq:
- 注册与调度: 在内核启动时注册，并在中断或其他触发条件下调度执行。
- 执行: 在中断返回或内核调度点执行，确保不阻塞，因为它们在中断上下文中执行。
Tasklet:
- 基于 Softirq: Tasklet 是 Softirq 的一个实现，提供了更简单的接口。
- 调度: 被提交到 tasklet 队列后，在适当的时机由内核运行。
- 执行: 不允许同类型 tasklet 并行执行，避免竞争条件。

减少中断处理时间: 硬件中断处理程序应尽快完成，以便系统能够响应其他中断。将复杂或耗时的任务延迟到软中断或 tasklet 中执行，优化了中断响应时间。
批量处理: 软中断可以批量处理多个事件，减少上下文切换和调度开销。
非实时性任务: 某些任务不需要立即完成，可以稍后处理，如更新统计信息或调度其他工作。

这些机制确保了内核在处理高优先级任务时仍然保持高效和响应性。