《Linux性能优化实战》笔记（六）—— Linux 软中断与对应故障分析方法

中断是系统用来响应硬件设备请求的一种机制，它会打断进程的正常调度和执行，然后调用内核中的中断处理程序来响应设备的请求。

 

一、 为什么要有中断

举个生活中的例子，让你感受一下中断的魅力。比如说你订了一份外卖，但是不确定外卖什么时候送到，也没有别的方法了解外卖的进度，但是，配送员送外卖是不等人的，到了你这儿没人取的话，就直接走人了。所以你只能苦苦等着，时不时去门口看看外卖送到没，而不能干其他事情。不过呢，如果在订外卖的时候，你就跟配送员约定好，让他送到后给你打个电话，那你就不用苦苦等待了，就可以去忙别的事情，直到电话一响，接电话、取外卖就可以了。

这里的“打电话”，其实就是一个中断。没接到电话的时候，你可以做其他的事情；只有接到了电话（也就是发生中断），你才要进行另一个动作：取外卖。这个例子你就可以发现，中断其实是一种异步的事件处理机制，可以提高系统的并发处理能力。

由于中断处理程序会打断其他进程的运行，所以，为了减少对正常进程运行调度的影响，中断处理程序就需要尽可能快地运行。如果中断本身要做的事情不多，那么处理起来也不会有太大问题；但如果中断要处理的事情很多，中断服务程序就有可能要运行很长时间。特别是，中断处理程序在响应中断时，还会临时关闭中断。这就会导致上一次中断处理完成之前，其他中断都不能响应，也就是说中断有可能会丢失。

假如你订了 2 份外卖，一份主食和一份饮料，并且是由 2 个不同的配送员来配送。这次你不用时时等待着，两份外卖都约定了电话取外卖的方式。但是，问题又来了。当第一份外卖送到时，配送员给你打了个长长的电话，商量发票的处理方式。与此同时，第二个配送员也到了，也想给你打电话。但是很明显，因为电话占线（也就是关闭了中断响应），第二个配送员的电话是打不通的。所以，第二个配送员很可能试几次后就走掉了（也就是丢失了一次中断）。

 

二、 硬中断与软中断

如果你弄清楚了“取外卖”的模式，那对系统的中断机制就很容易理解了。事实上，为了解决中断处理程序执行过长和中断丢失的问题，Linux 将中断处理过程分成了两个阶段，也就是上半部和下半部：

• 上半部（硬中断）用来快速处理中断，它在中断禁止模式下运行，主要处理硬件相关或时间敏感的工作，特点是快速执行
• 下半部（软中断）用来延迟处理上半部未完成的工作，通常以内核线程的方式运行，特点是延迟执行
• 个人理解，“硬”可以理解为硬件相关，也可以理解为真正会影响到别的中断响应，所以上半部叫硬中断
• 每个 CPU 都对应一个软中断内核线程，名字为 “ksoftirqd/CPU编号”，比如 0 号 CPU 对应的软中断内核线程的名字就是 ksoftirqd/0
• 一些内核自定义的事件也属于软中断，比如内核调度和 RCU 锁（Read-Copy Update 的缩写，RCU 是 Linux 内核中最常用的锁之一）等。

比如说前面取外卖的例子，上半部就是你接听电话，告诉配送员你已经知道了，其他事儿见面再说，然后电话就可以挂断了；下半部才是取外卖的动作，以及见面后商量发票处理的动作。这样，第一个配送员不会占用你太多时间，当第二个配送员过来时，照样能正常打通你的电话。

我再举个最常见的网卡接收数据包的例子，让你更好地理解。网卡接收到数据包后，会通过硬件中断的方式，通知内核有新的数据到了。这时，内核就应该调用中断处理程序来响应它，这种情况下的上半部和下半部分别负责什么工作呢？

• 对上半部来说，既然是快速处理，其实就是要把网卡的数据读到内存中，然后更新一下硬件寄存器的状态（表示数据已经读好了），最后再发送一个软中断信号，通知下半部做进一步的处理。
• 下半部被软中断信号唤醒后，需要从内存中找到网络数据，再按照网络协议栈，对数据进行逐层解析和处理，直到把它送给应用程序。

三、 查看软中断和内核线程

不知道你还记不记得前面提到过的 proc 文件系统，它是一种内核空间和用户空间进行通信的机制，可以用来查看内核的数据结构，或者用来动态修改内核的配置。其中：

• /proc/interrupts 提供了硬中断的运行情况
• /proc/softirqs 提供了软中断的运行情况；

cat /proc/softirqs
CPU0 CPU1
HI: 0 0
TIMER: 811613 1972736
NET_TX: 49 7
NET_RX: 1136736 1506885
BLOCK: 0 0
IRQ_POLL: 0 0
TASKLET: 304787 3691
SCHED: 689718 1897539
HRTIMER: 0 0
RCU: 1330771 1354737

在查看 /proc/softirqs 文件内容时，你要特别注意以下这两点。

• 注意软中断的类型，也就是第一列的内容。从第一列你可以看到，软中断包括了 10 个类别，分别对应不同的工作类型。比如 NET_RX 表示网络接收中断，而NET_TX 表示网络发送中断。
• 注意同一种软中断在不同 CPU 上的分布情况，也就是该行后面各列的内容。正常情况下，同一种中断在不同 CPU 上的累积次数应该差不多。比如这个界面中，NET_RX 在CPU0 和 CPU1 上的中断次数基本是同一个数量级，相差不大。

不过你可能发现，TASKLET 在不同 CPU 上的分布并不均匀。TASKLET 是最常用的软中断实现机制，每个 TASKLET 只运行一次就会结束 ，并且只在调用它的函数所在的 CPU 上运行，因此，使用 TASKLET 特别简便。当然也会存在一些问题，比如说由于只在一个 CPU 上运行导致的调度不均衡，再比如因为不能在多个 CPU 上并行运行带来了性能限制。

另外，刚刚提到过，软中断实际上是以内核线程的方式运行的，每个 CPU 都对应一个软中断内核线程，这个软中断内核线程就叫做 ksoftirqd/CPU 编号。那要怎么查看这些线程的运行状况呢？其实用 ps 命令就可以做到：

ps aux | grep softirq
root 7 0.0 0.0 0 0 ? S Oct10 0:01 [ksoftirqd/0]
root 16 0.0 0.0 0 0 ? S Oct10 0:01 [ksoftirqd/1]

注意，这些线程的名字外面都有中括号，这说明 ps 无法获取它们的命令行参数（cmline）。一般来说，ps 的输出中，名字括在中括号里的都是内核线程。

 

四、 软中断案例分析

当软中断事件的频率过高时，内核线程也会因为 CPU 使用率过高而导致软中断处理不及时，进而引发网络收发延迟、调度缓慢等性能问题。软中断 CPU 使用率过高也是一种最常见的性能问题，如果遇到了，该怎么办？

1. 一些新工具

这里用到了三个新工具，sar、 hping3 和 tcpdump，先简单介绍一下：

• sar 是一个系统活动报告工具，既可以实时查看系统的当前活动，又可以配置保存和报告历史统计数据。
• hping3 是一个可以构造 TCP/IP 协议数据包的工具，可以对系统进行安全审计、防火墙测试等。

# 模拟 Nginx 的客户端请求（这是一个简单的 SYN FLOOD 攻击）
# -S参数表示设置TCP协议的SYN（同步序列号），-p表示目的端口为80，-i u100表示每隔100微秒发送一个网络帧
# 注：如果你在实践过程中现象不明显，可以尝试把100调小，比如调成10甚至1
hping3 -S -p 80 -i u100 192.168.0.30

• tcpdump 是一个常用的网络抓包工具，常用来分析各种网络问题。

 

2. 现象与分析思路

目前系统超级卡，简单的 SHELL 命令都明显变慢了，先看看系统的整体资源使用情况。

这里你有没有发现异常的现象？我们从第一行开始，逐个看一下：

• 平均负载全是 0，就绪队列里面只有一个进程（1 running）。
• 每个 CPU 的使用率都挺低，最高也只有 4.4%，并不算高。
• 再看进程列表，CPU 使用率最高的进程也只有 0.3%，还是不高呀。

那为什么系统的响应变慢了呢？既然每个指标的数值都不大，那我们就再来看看，这些指标对应的更具体的含义。毕竟，哪怕是同一个指标，用在系统的不同部位和场景上，都有可能对应着不同的性能问题。

仔细看 top 的输出，两个 CPU 的使用率虽然分别只有 3.3% 和 4.4%，但都用在了软中断上；而从进程列表上也可以看到，CPU 使用率最高的也是软中断进程 ksoftirqd。看起来，软中断有点可疑了。

 

既然软中断可能有问题，那你先要知道，究竟是哪类软中断的问题。观察 /proc/softirqs 文件的内容，就能知道各种软中断类型的次数。不过，这里的次数是系统运行以来的累积中断次数，所以直接查看文件内容，对这里的问题并没有直接参考意义。因为，这些中断次数的变化速率才是我们需要关注的。

什么工具可以观察命令输出的变化情况呢？在前面案例中用过的 watch 命令就可以定期运行一个命令来查看输出；如果再加上 -d 参数，还可以高亮出变化的部分，直观看出哪些内容变化得更快。

watch -d cat /proc/softirqs

通过 /proc/softirqs 文件内容的变化情况，你可以发现， TIMER（定时中断）、NET_RX（网络接收）、SCHED（内核调度）、RCU（RCU 锁）等这几个软中断都在不停变化。其中，NET_RX（网络数据包接收软中断）的变化速率最快。而其他几种类型的软中断，是保证 Linux 调度、时钟和临界区保护这些正常工作所必需的，所以它们有一定的变化倒是正常的。

 

3. 用sar分析网络软中断

既然是网络接收的软中断，第一步应该就是观察系统的网络接收情况。

sar 可以用来查看系统网络收发的BPS（每秒收发的字节数）和网络收发的 PPS（每秒收发的网络帧数）

# -n DEV 表示显示网络收发的报告，间隔1秒输出一组数据
$ sar -n DEV 1

• 第一列：表示报告的时间
• 第二列：IFACE 表示网卡
• 第三、四列：rxpck/s 和 txpck/s 分别表示每秒接收、发送的网络帧数，也就是 PPS。
• 第五、六列：rxkB/s 和 txkB/s 分别表示每秒接收、发送的千字节数，也就是 BPS。
• 后面的其他参数基本接近 0，显然跟今天的问题没有直接关系，你可以先忽略掉。

我们具体来看输出的内容，你可以发现：

• 对网卡 eth0 来说，每秒接收的网络帧数比较大，达到了 12607，而发送的网络帧数则比较小，只有 6304；每秒接收的千字节数只有 664 KB，而发送的千字节数更小，只有358 KB。
• docker0 和 veth9f6bbcd 的数据跟 eth0 基本一致，只是发送和接收相反，发送的数据较大而接收的数据较小。这是 Linux 内部网桥转发导致的，你暂且不用深究，只要知道这是系统把 eth0 收到的包转发给 Nginx 服务即可。

从这些数据，你有没有发现什么异常的地方？

既然怀疑是网络接收中断的问题，我们还是重点来看 eth0 ：接收的 PPS 比较大，达到12607，而接收的 BPS 却很小，只有 664 KB。直观来看网络帧应该都是比较小的，我们稍微计算一下，664*1024/12607 = 54 字节，说明平均每个网络帧只有 54 字节，这显然是很小的网络帧，也就是我们通常所说的小包问题。

那么，有没有办法知道这是一个什么样的网络帧，以及从哪里发过来的呢？

 

4. tcpdump 抓包

使用 tcpdump 抓取 eth0 上的包就可以了。我们已经知道， Nginx 监听在 80 端口，它所提供的 HTTP 服务是基于 TCP 协议的，所以我们可以指定 TCP 协议和 80 端口精确抓包。

接下来，我们在第一个终端中运行 tcpdump 命令，通过 -i eth0 选项指定网卡 eth0，并通过 tcp port 80 选项指定 TCP 协议的 80 端口

# -i eth0 只抓取eth0网卡，-n不解析协议名和主机名
# tcp port 80表示只抓取tcp协议并且端口号为80的网络帧
$ tcpdump -i eth0 -n tcp port 80
15:11:32.678966 IP 192.168.0.2.18238 > 192.168.0.30.80: Flags [S], seq 45830361

从 tcpdump 的输出中，你可以发现

192.168.0.2.18238 > 192.168.0.30.80 ，表示网络帧从 192.168.0.2 的 18238 端口发送到 192.168.0.30 的 80 端口，也就是从运行 hping3 机器的 18238 端口发送网络帧，目标为 Nginx 所在机器的 80 端口。Flags [S] 则表示这是一个 SYN 包。

再加上前面用 sar 发现的， PPS 超过 12000 的现象，现在我们可以确认，这就是从192.168.0.2 这个地址发送过来的 SYN FLOOD 攻击。

 

5. 小结

到这里，我们已经做了全套的性能诊断和分析。从系统的软中断使用率高这个现象出发，通过观察 /proc/softirqs 文件的变化情况，判断出软中断类型是网络接收中断；再通过 sar和 tcpdump ，确认这是一个 SYN FLOOD 问题。

SYN FLOOD 问题最简单的解决方法，就是从交换机或者硬件防火墙中封掉来源 IP，这样SYN FLOOD 网络帧就不会发送到服务器中。至于 SYN FLOOD 的原理和更多解决思路，你暂时不需要过多关注，后面的网络章节里我们都会学到。