软中断与软件中断

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前言

软中断件中断佛真假美猴王，在源码面前才能让他们现出原型！

本文阐述的两个概念分别是：

1. 软中断(softIRQ)，即中断下半部机制。ISR运行时间不易过长，linux将中断中的一部分逻辑推后执行，这就是softIRQ，它完全由软件实现；
2. 软件中断(Software Interrupt)，从软件中断指令而来。在32位x86中，为了实现linux用户态到内核态的切换，linux使用软中断指令“int 0x80”来触发异常，切换CPU特权级，实现系统调用。

实现系统调用的“软中断”和中断下半部的“软中断”并不是一回事！二者是完全不同的实现机制，只是翻译的时候同名导致混淆。下面会结合一些官方描述和linux kernel 源码来具体分析二者的区别，让同样被迷惑的读者认清真相！

传统的系统调用实现原理

调用系统调用的传统方法是使用汇编指令”int”，0x80是中断向量号。在内核初始化期间调用的函数trap_init()中，在中断描述符表(IDT)上设置系统调用门：

IA32_SYSCALL_VECTOR 值为 0x80。用户空间的lib库函数会调用软件中断指令”int 0x80″触发中断，然后硬件根据向量号”0x80″在 IDT 中找到对应的表项，即中断描述符，进行特权级检查，发现 DPL = CPL = 3 ，允许调用。然后硬件将切换到进程内核栈 (tss.ss0 : tss.esp0)。软件执行函数是“entry_INT80_32”，其定义在 arch/x86/entry/entry_32.S：

1）将eax寄存器值入栈保存。寄存器eax中保存系统调用号，对应sys_call_table[]的下标，用于索引kernel中的系统调用函数；

2）SAVE_ALL 将其他寄存器的值压入栈中进行保存，系统调用涉及到的参数情况如下：

3）将当前栈指针保存到 eax ，调用 do_int80_syscall_32函数，该函数在arch/x86/entry/common.c 中定义：

可见最后是根据eax传入的syscall number，在sys_call_table 中调用对应位置处的sys_xxx。

基于软件中断指令”int”实现的传统系统调用方式，属于同步中断（异常），工作在进程上下文且可被中断。

下面看下软中断(softIRQ)的原理。

软中断(softIRQ)

由于ISR运行时间不易过长，且不能睡眠，linux将中断中的一部分逻辑推后执行，于是诞生了软中断机制。实际上出现在内核代码中的术语“软中断（softirq）”常常表示可延迟函数的所有种类，即tasklet、softirq、work queue都可以统称为“软中断”，为了不产生混淆，我们使用更加广泛的统称：中断下(底)半部。

软中断（softIRQ）自内核2.3引入，是最基本、最优先的中断下半部机制。

【1】软中断数据结构

softirq_action用于描述一个软中断，action是软中断的处理函数。softirq不能动态分配，都是静态定义的。内核中使用“softirq_vec”表示所有支持的软中断：

【2】软中断的触发时机

• irq_exit
  在硬中断退出时，会检查local_softirq_pending和preemt_count，如果都符合条件，则执行软中断。

• local_bh_enable
  使用此函数开启软中断时，会检查local_softirq_pending，如果都符合条件，则执行软中断。

• raise_softirq
  主动唤起一个软中断。内核提供了软中断处理线程“ksoftirq”，在适当时机会唤醒ksoftirq后台线程进行执行，处理软中断。

【3】软中断执行

软中断执行核心API是“__do_softirq”。

软中断类似硬件中断机制，是“异步中断”，在同一个CPU上资源不可重入，工作在中断上下文，因此不能睡眠。不过可以在多个处理器上同时执行。

总结

本文通过对两个“软中断”实现机制的分析，我们论证了系统调用的”软中断” 和中断下半部的“软中断”并不是一个概念。前者被翻译成“软件触发的中断”更加合理！

使用时需要注意的是软中断工作在中断上下文，需要注意原子操作。

参考

《深入理解linux内核》

Linux内核浅析-软中断

Linux syscall过程分析（万字长文）

注：所有kernel源码均来自linux 5.12-rc3

文章知识点与官方知识档案匹配，可进一步学习相关知识CS入门技能树Linux入门初识Linux24904 人正在系统学习中

来源：贺二公子