Linux内核中的软中断、tasklet和工作队列详解（超详细~）

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本文基于Linux2.6.32内核版本。

引言

• 软中断、tasklet和工作队列并不是Linux内核中一直存在的机制，而是由更早版本的内核中的“下半部”（bottom half）演变而来。下半部的机制实际上包括五种，但2.6版本的内核中，下半部和任务队列的函数都消失了，只剩下了前三者。
• 介绍这三种下半部实现之前，有必要说一下上半部与下半部的区别。
  • 上半部指的是中断处理程序，下半部则指的是一些虽然与中断有相关性但是可以延后执行的任务。举个例子：在网络传输中，网卡接收到数据包这个事件不一定需要马上被处理，适合用下半部去实现；但是用户敲击键盘这样的事件就必须马上被响应，应该用中断实现。
  • 两者的主要区别在于：中断不能被相同类型的中断打断，而下半部依然可以被中断打断；中断对于时间非常敏感，而下半部基本上都是一些可以延迟的工作。由于二者的这种区别，所以对于一个工作是放在上半部还是放在下半部去执行，可以参考下面4条：
    1. 如果一个任务对时间非常敏感，将其放在中断处理程序中执行。
    2. 如果一个任务和硬件相关，将其放在中断处理程序中执行。
    3. 如果一个任务要保证不被其他中断（特别是相同的中断）打断，将其放在中断处理程序中执行。
    4. 其他所有任务，考虑放在下半部去执行。
    5. 有写内核任务需要延后执行，因此才有的下半部，进而实现了三种实现下半部的方法。这就是本文要讨论的软中断、tasklet和工作队列。
• 下表可以更直观的看到它们之间的关系。
  

  软中断处理流程

  1. 首先调用local_softirq_pending函数取得目前有哪些位存在软件中断。
  2. 调用__local_bh_disable关闭软中断，其实就是设置正在处理软件中断标记，在同一个CPU上使得不能重入__do_softirq函数。
  3. 重新设置软中断标记为0，set_softirq_pending重新设置软中断标记为0，这样在之后重新开启中断之后硬件中断中又可以设置软件中断位。
  4. 调用local_irq_enable，开启硬件中断。
  5. 之后在一个循环中，遍历pending标志的每一位，如果这一位设置就会调用软件中断的处理函数。在这个过程中硬件中断是开启的，随时可以打断软件中断。这样保证硬件中断不会丢失。
  6. 之后关闭硬件中断(local_irq_disable)，查看是否又有软件中断处于pending状态，如果是，并且在本次调用__do_softirq函数过程中没有累计重复进入软件中断处理的次数超过max_restart=10次，就可以重新调用软件中断处理。如果超过了10次，就调用wakeup_softirqd()唤醒内核的一个进程来处理软件中断。设立10次的限制，也是为了避免影响系统响应时间。
  7. 调用_local_bh_enable开启软中断。

  软中断内核线程

  • 之前我们分析的触发软件中断的位置其实是中断上下文中，而在软中断的内核线程中实际已经是进程的上下文。
  • 这里说的软中断上下文指的就是系统为每个CPU建立的ksoftirqd进程。
  • 软中断的内核进程中主要有两个大循环，外层的循环处理有软件中断就处理，没有软件中断就休眠。内层的循环处理软件中断，每循环一次都试探一次是否过长时间占据了CPU，需要调度就释放CPU给其它进程。具体的操作在注释中做了解释。

  tasklet

  • 由于软中断必须使用可重入函数，这就导致设计上的复杂度变高，作为设备驱动程序的开发者来说，增加了负担。而如果某种应用并不需要在多个CPU上并行执行，那么软中断其实是没有必要的。因此诞生了弥补以上两个要求的tasklet。它具有以下特性：
    1. 一种特定类型的tasklet只能运行在一个CPU上，不能并行，只能串行执行。
    2. 多个不同类型的tasklet可以并行在多个CPU上。
    3. 软中断是静态分配的，在内核编译好之后，就不能改变。但tasklet就灵活许多，可以在运行时改变（比如添加模块时）。
  • tasklet是在两种软中断类型的基础上实现的，因此如果不需要软中断的并行特性，tasklet就是最好的选择。也就是说tasklet是软中断的一种特殊用法，即延迟情况下的串行执行。

  相关数据结构

  • tasklet描述符

  struct tasklet_struct{ struct tasklet_struct *next;//将多个tasklet链接成单向循环链表 unsigned long state;//TASKLET_STATE_SCHED(Tasklet is scheduled for execution)  TASKLET_STATE_RUN(Tasklet is running (SMP only)) atomic_t count;//0:激活tasklet 非0:
  来源：贺二公子
                                                          
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