你真的理解Linux中断机制嘛

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JAVA万维猿圈 2021-12-09 14:22:50 ©著作权

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Linux中断是指在CPU正常运行期间，由于内外部事件或由程序预先安排的事件引起的CPU暂时停止正在运行的程序，转而为该内部或外部事件或预先安排的事件服务的程序中去，服务完毕后再返回去继续运行被暂时中断的程序。进程的不可中断状态是系统的一种保护机制，可以保证硬件的交互过程不被意外打断。所以，短时间的不可中断状态是很正常的。但是，当进程长时间都处于不可中断状态时，你就需要提起注意力确认下是不是磁盘I/O存在问题，相关的进程和磁盘设备是否工作正常。今天我们详细了解一下中断的机制，进而对其中的软中断进行一个剖析。

01—概念解释

（1）中断：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。

（2）如何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。上半部用来快速处理中断，它在中断禁止模式下运行，主要处理跟硬件紧密相关的或时间敏感的工作。也就是我们常说的硬中断，特点是快速执行。下半部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。也就是我们常说的软中断，特点是延迟执行。（3）proc 文件系统：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。

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

（4）硬中断：硬中断是由硬件产生的，比如，像磁盘，网卡，键盘，时钟等。每个设备或设备集都有它自己的IRQ（中断请求）。基于IRQ，CPU可以将相应的请求分发到对应的硬件驱动上。硬中断可以直接中断CPU，引起内核中相关的代码被触发。

（5）软中断：软中断仅与内核相关，由当前正在运行的进程所产生。通常，软中断是一些对I/O的请求，这些请求会调用内核中可以调度I/O发生的程序。 软中断并不会直接中断CPU，也只有当前正在运行的代码（或进程）才会产生软中断。这种中断是一种需要内核为正在运行的进程去做一些事情（通常为I/O）的请求。除了iowait(等待I/O的CPU使用率)升高，软中断(softirq)CPU使用率升高也是最常见的一种性能问题。

02—查看软中断和内核线程小伙伴们肯定好奇该怎么查看系统里有哪些软中断？接下来将教给大家方法。

前面有提到过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。

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

（1）如何查看各种类型软中断在不同 CPU上的累积运行次数：


$ cat /proc/softirqs
                    CPU0       CPU1       CPU2       CPU3
          HI:     276180     286764    2509097     254357
       TIMER:    1550133    1285854    1440533    1812909
      NET_TX:     102895         16         15         57
      NET_RX:        155        178        115    1619192
       BLOCK:       1713      15048     251826       1082
    IRQ_POLL:          0          0          0          0
     TASKLET:          9         63          6       2830
       SCHED:    1484942    1207449    1310735    1724911
     HRTIMER:          0          0          0          0
         RCU:     690954     685825     787447     878963

软中断的类型：对应第1列，包含了10个类别，分别对应不同的工作类型。比如说NET_RX 表示网络接收中断，而 NET_TX 表示网络发送中断。

同一种软中断类型在不同CPU上的分布情况：对应每一行，正常情况下，同一种中断类型在不同CPU上的累计次数基本在同一个数量级。但是也有例外，比如TASKLET

拓展：什么是TASKLET？

TASKLET是最常用的软中断实现机制，每个TASKLET只会运行一次就会结束，并且只在调用它的函数所在的CPU上运行，不能并行而只能串行执行。
多个不同类型的TASKLET可以并行在多个CPU上。
软中断是静态，只能支持有限的几种软中断类型，一旦内核编译好之后就不能改变；而TASKLET灵活很多，可以通过添加内核模块的方式在运行时修改。

（2）如何查看软中断内核线程的运行状况？

软中断是以内核线程的方式运行的，每个CPU都会对应一个软中断内核线程，查看的方式如下：


$ ps -ef|grep softirq
root    7    2  0 Nov04 ?    00:00:53 [ksoftirqd/0]
root   16    2  0 Nov04 ?    00:00:51 [ksoftirqd/1]
root   22    2  0 Nov04 ?    00:00:53 [ksoftirqd/2]
root   28    2  0 Nov04 ?    00:00:53 [ksoftirqd/3]

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，一般都是内核线程。

（3）如何查看硬中断运行情况


$ cat /proc/interrupts 
           CPU0       CPU1       CPU2       CPU3            
  0:         33          0          0          0      IO-APIC-edge      timer
  1:         10          0          0          0      IO-APIC-edge      i8042
  4:        325          0          0          0      IO-APIC-edge      serial
  8:          1          0          0          0      IO-APIC-edge      rtc0
  9:          0          0          0          0      IO-APIC-fasteoi   acpi
 10:          0          0          0          0      IO-APIC-fasteoi   virtio3
 40:          0          0          0          0      PCI-MSI-edge      virtio1-config
 41:   16669006          0          0          0      PCI-MSI-edge      virtio1-requests
 42:          0          0          0          0      PCI-MSI-edge      virtio2-config
 43:   59166530          0          0          0      PCI-MSI-edge      virtio2-requests
 44:          0          0          0          0      PCI-MSI-edge      virtio0-config
 45:    6689988          0          0          0      PCI-MSI-edge      virtio0-input.0
 46:          0          0          0          0      PCI-MSI-edge      virtio0-output.0
 47: 2093616484          0          0          0      PCI-MSI-edge      peth1-TxRx-0
 48:          5 2045859720          0          0      PCI-MSI-edge      peth1-TxRx-1
 49:         81          0          0          0      PCI-MSI-edge      peth1
NMI:          0          0          0          0      Non-maskable interrupts
LOC: 2936184495  965056330 1641503935 1442909354      Local timer interrupts
SPU:          0          0          0          0      Spurious interrupts
PMI:          0          0          0          0      Performance monitoring interrupts
IWI:   53775871   47387196   47737572   44243915      IRQ work interrupts
RTR:          0          0          0          0      APIC ICR read retries
RES: 1198594562  964481221  966552350  902484234      Rescheduling interrupts
CAL: 4294967071       4438  430547422  419910155      Function call interrupts
TLB: 1206563963   65932469 1378887038 1028081848      TLB shootdowns
TRM:          0          0          0          0      Thermal event interrupts
THR:          0          0          0          0      Threshold APIC interrupts
MCE:          0          0          0          0      Machine check exceptions
MCP:      65623      65623      65623      65623      Machine check polls
ERR:          0

03—

工具与技巧

（1）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。命令：sar -n DEV 1 含义：-n DEV 1 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
16:01:21       IFACE   rxpck/s   txpck/s    rxkB/s    txkB/s   rxcmp/s   txcmp/s  rxmcst/s   %ifutil
16:01:22        eth0  12605.00   6304.00    664.86    358.11      0.00      0.00      0.00      0.01
16:01:22     docker0   6302.00  12604.00    270.79    664.66      0.00      0.00      0.00      0.00
16:01:22          lo      0.00      0.00      0.00      0.00      0.00      0.00      0.00      0.00
16:01:22 veth9f6bbcd   6302.00  12604.00    356.95    664.66      0.00      0.00      0.00      0.05

第1列：表示报告的时间

第2列：IFACE 表示网卡

第3，4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5，6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。

（2）tcpdump 是一个常用的网络抓包工具，常用来分析各种网络问题。