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在計算機系統(tǒng)中，中斷是一種機制，用于讓操作系統(tǒng)或硬件在執(zhí)行時把控制權(quán)歸還給處理器。Linux作為一種開源的操作系統(tǒng)，它的中斷機制也是必不可少的。本文將深入探究Linux中斷機制以及它對用戶程序的影響。
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一、什么是Linux中斷機制
Linux中斷機制，顧名思義，是指Linux系統(tǒng)處理外部中斷的機制。當(dāng)Linux運行時，框架程序?qū)PU交由用戶態(tài)程序或內(nèi)核程序進(jìn)行執(zhí)行，但在一定的時間內(nèi)，硬件或內(nèi)核需要向CPU發(fā)出請求執(zhí)行的信號，稱為中斷請求，簡稱中斷。在Linux系統(tǒng)中，中斷分為軟中斷和硬中斷。
硬件中斷是由外部設(shè)備通知CPU執(zhí)行，被稱為外部中斷。例如，當(dāng)一個用戶使用鍵盤輸入文本時，這個輸入就是一個中斷信號，Linux系統(tǒng)需要將這個輸入信號放入緩存中進(jìn)行處理。
另一種中斷為軟中斷，是由系統(tǒng)自身產(chǎn)生的，通常由內(nèi)核使用以處理各種異步事件。例如，網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的接收器會通過軟中斷處理收到的每個數(shù)據(jù)包。軟中斷事件通常是內(nèi)核特定任務(wù)的方式。
二、Linux中斷機制如何影響用戶程序
在Linux系統(tǒng)中，中斷機制常常影響用戶程序的運行，因為中斷的處理需要一定的時間和系統(tǒng)資源。當(dāng)中斷請求被CPU處理時，CPU必須立即終止當(dāng)前操作并執(zhí)行相應(yīng)的中斷處理程序。這會導(dǎo)致用戶程序被掛起，無法立即執(zhí)行下一條指令。這個時間延遲可能會導(dǎo)致一些計算延遲和性能下降。
但是，中斷機制對系統(tǒng)的優(yōu)化也很顯著。當(dāng)Linux內(nèi)核收到中斷請求時，它可以用優(yōu)先級來快速響應(yīng)請求。這使得Linux系統(tǒng)可以在主處理器無能為力的情況下并行處理多個任務(wù)。這就是多任務(wù)操作系統(tǒng)的基本原理。多任務(wù)操作系統(tǒng)使用搶占式調(diào)度程序，可以立即停止當(dāng)前進(jìn)程并切換到其他進(jìn)程。這也是一個高效利用系統(tǒng)資源的方法。
三、如何優(yōu)化Linux中斷機制以提高系統(tǒng)性能
要優(yōu)化Linux中斷處理機制以提高系統(tǒng)性能，可以采取以下措施：
1. 禁用不必要的中斷
可以通過將不必要的設(shè)備禁止中斷，從而減少需要處理的中斷次數(shù)。例如，在PC上，禁用串行端口中斷可能會提高性能。
2. 提高中斷處理程序的優(yōu)先級
可以使用IRQ線程或軟中斷處理程序來代替頂層中斷處理程序，以提高中斷處理程序的優(yōu)先級，從而加快中斷的響應(yīng)速度。
3. 縮短中斷處理程序的執(zhí)行時間
可以使用各種技術(shù)，如DMA從設(shè)備讀取數(shù)據(jù)而不是CPU，以提高中斷處理程序的執(zhí)行時間并縮短中斷的處理時間。
綜上所述，在實際的操作中，優(yōu)化Linux中斷機制可以顯著提高系統(tǒng)性能。但是，需要結(jié)合具體情況進(jìn)行調(diào)整和優(yōu)化。更好的選擇是在必要時啟用這些優(yōu)化，以保持系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性。
總體而言，Linux中斷機制可以高效地處理來自外部的信號和異步操作。優(yōu)化Linux中斷處理機制對于系統(tǒng)的性能和穩(wěn)定性非常重要。因此，在使用Linux系統(tǒng)時，了解Linux中斷的概念和處理機制，可以幫助提高系統(tǒng)的性能并防止出現(xiàn)各種錯誤。
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Linux-怎么理解軟中斷
中斷是系統(tǒng)用來響應(yīng)硬件設(shè)備請求的一種機制，它會打斷進(jìn)程的正常調(diào)度和執(zhí)行，然后調(diào)用內(nèi)核中的中斷處理程序來響應(yīng)設(shè)備的請求。
你可能要問了，為什么要有中斷呢？我可以舉個生活中的例子，讓感受一下中斷的魅力。
比如你訂了一份外賣，但是不確定外賣什么時候送到，也沒有別的方法了解外賣的進(jìn)度，但是，配送員送外賣是不等人的，到了你這兒沒人取的話，就直接走人了，所以你只能苦苦等著，時不時去門口看看外賣送到?jīng)]，而不能干其他事情。
不過呢，如果在訂外賣的時候，你就跟配送員約定好，讓他送到后給你打個，那你就不用苦苦等待了，就可以去忙別的事情，直到一響，接、取外賣就可以了。
這里的“打電首返宴話”，其實就是一個中斷。沒接到的時候，你可以做其他的事情；只有接到了者銀（也就是發(fā)生中斷），你才要進(jìn)行另一個動作：取外賣。
這個例子你就可以發(fā)現(xiàn)，
中斷其實是一種異步的事件處理機制，可以提高系統(tǒng)的并發(fā)處理能力。
由于中斷處理程序會打斷其他進(jìn)程的運行，所以，
為了減少對正常進(jìn)程運行調(diào)度的影響，中斷處理程序就需要盡可能快地運行。
如果中斷本身要做的事情不多，那么處理起來也不會有太大問題；但如果中斷要處理的事情很多，中斷服務(wù)程序就有可能要運行很長時間。
特別是，中斷處理程序在響應(yīng)中斷時，還會臨時關(guān)閉中斷。這就會導(dǎo)致上一次中斷處理完成之前，其他中斷都不能響應(yīng)，也就是說中斷有可能會丟失。
那么還是以取外賣為例。假如你訂了 2 份外賣，一份主食和一份飲料，并且是由 2 個不同的配送員來配送。這次你不用時時等待著，兩份外賣都約定了取外賣的方式。但是，問題又來了。
當(dāng)之一份外賣送到時，配送員給你打了個長長的，商量發(fā)票的處理方式。與此同時，第二個配送員也到了，也想給你打。
但是很明顯，因為占線（也就是關(guān)閉了中斷響應(yīng)），第二個配送員的是打不通的。所以，第二個配送員很可能試幾次后就走掉了（也就是丟失了一次中斷）。
如果你弄清楚了“取外賣”的模式，那對系統(tǒng)的中斷機制就很容易理解了。事實上，為了解決中斷處理程序執(zhí)行過長和中斷丟失的問題，Linux 將中斷處理過程分成了兩個階段，也就是
上半部和下半部：
比如說前面取外賣的例子，上半部就是你接聽，告訴配送員你已經(jīng)知道了，其他事兒見面再說，然后就可以掛斷了；下半部才是取外賣的動作，以及見面后商量發(fā)票處理的動作。
這樣，之一個配送員不會占用你太多時間，當(dāng)?shù)诙€配送員過來時，照樣能正常打通你的。
除了取外賣，我再舉個最常見的網(wǎng)卡接收數(shù)據(jù)包的例子，讓你更好地理解。
網(wǎng)卡接收到數(shù)據(jù)包后，會通過
硬件中斷
的方式，通知內(nèi)核有新的數(shù)據(jù)到了。這時，內(nèi)核就應(yīng)該調(diào)用中斷處理程序來響應(yīng)它。你可以自己先想一下，這種情況下的上半部和下半部分別世扒負(fù)責(zé)什么工作呢？
對上半部來說，既然是快速處理，其實就是要把網(wǎng)卡的數(shù)據(jù)讀到內(nèi)存中，然后更新一下硬件寄存器的狀態(tài)（表示數(shù)據(jù)已經(jīng)讀好了），最后再發(fā)送一個
軟中斷
信號，通知下半部做進(jìn)一步的處理。
而下半部被軟中斷信號喚醒后，需要從內(nèi)存中找到網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)，再按照網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧，對數(shù)據(jù)進(jìn)行逐層解析和處理，直到把它送給應(yīng)用程序。
所以，這兩個階段你也可以這樣理解：
實際上，上半部會打斷 CPU 正在執(zhí)行的任務(wù)，然后立即執(zhí)行中斷處理程序。而下半部以內(nèi)核線程的方式執(zhí)行，并且每個 CPU 都對應(yīng)一個軟中斷內(nèi)核線程，名字為 “ksoftirqd/CPU 編號”，比如說， 0 號 CPU 對應(yīng)的軟中斷內(nèi)核線程的名字就是 ksoftirqd/0。
不過要注意的是，軟中斷不只包括了剛剛所講的硬件設(shè)備中斷處理程序的下半部，一些內(nèi)核自定義的事件也屬于軟中斷，比如內(nèi)核調(diào)度和 RCU 鎖（Read-Copy Update 的縮寫，RCU 是 Linux 內(nèi)核中最常用的鎖之一）等。
不知道你還記不記得，前面提到過的 proc 文件系統(tǒng)。它是一種內(nèi)核空間和用戶空間進(jìn)行通信的機制，可以用來查看內(nèi)核的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，或者用來動態(tài)修改內(nèi)核的配置。其中：
運行下面的命令，查看 /proc/softirqs 文件的內(nèi)容，你就可以看到各種類型軟中斷在不同 CPU 上的累積運行次數(shù)：
在查看 /proc/softirqs 文件內(nèi)容時，你要特別注意以下這兩點。
之一，要注意軟中斷的類型，也就是這個界面中之一列的內(nèi)容。從之一列你可以看到，軟中斷包括了 10 個類別，分別對應(yīng)不同的工作類型。比如 NET_RX 表示網(wǎng)絡(luò)接收中斷，而 NET_TX 表示網(wǎng)絡(luò)發(fā)送中斷。
第二，要注意同一種軟中斷在不同 CPU 上的分布情況，也就是同一行的內(nèi)容。正常情況下，同一種中斷在不同 CPU 上的累積次數(shù)應(yīng)該差不多。比如這個界面中，NET_RX 在 CPU0 和 CPU1 上的中斷次數(shù)基本是同一個數(shù)量級，相差不大。
不過你可能發(fā)現(xiàn)，TASKLET 在不同 CPU 上的分布并不均勻。TASKLET 是最常用的軟中斷實現(xiàn)機制，每個 TASKLET 只運行一次就會結(jié)束 ，并且只在調(diào)用它的函數(shù)所在的 CPU 上運行。
因此，使用 TASKLET 特別簡便，當(dāng)然也會存在一些問題，比如說由于只在一個 CPU 上運行導(dǎo)致的調(diào)度不均衡，再比如因為不能在多個 CPU 上并行運行帶來了性能限制。
另外，剛剛提到過，軟中斷實際上是以內(nèi)核線程的方式運行的，每個 CPU 都對應(yīng)一個軟中斷內(nèi)核線程，這個軟中斷內(nèi)核線程就叫做 ksoftirqd/CPU 編號。那要怎么查看這些線程的運行狀況呢？
其實用 ps 命令就可以做到，比如執(zhí)行下面的指令：
注意，這些線程的名字外面都有中括號，這說明 ps 無法獲取它們的命令行參數(shù)（cmline）。一般來說，ps 的輸出中，名字括在中括號里的，一般都是內(nèi)核線程。
Linux 中的中斷處理程序分為上半部和下半部：
上半部對應(yīng)硬件中斷，用來快速處理中斷。
下半部對應(yīng)軟中斷，用來異步處理上半部未完成的工作。
Linux 中的軟中斷包括網(wǎng)絡(luò)收發(fā)、定時、調(diào)度、RCU 鎖等各種類型，可以通過查看 /proc/softirqs 來觀察軟中斷的運行情況。
linux中斷處理程序使用的堆棧是內(nèi)核的堆棧嗎，在哪里
當(dāng)然是，進(jìn)程生成時，會被分配一個task_struct 結(jié)構(gòu)（常說的進(jìn)程控制塊），2.4內(nèi)核中，在task_struct 結(jié)構(gòu)體上面的7KB空間就是。加上task_struct結(jié)構(gòu)本身(1KB)，進(jìn)程內(nèi)核棧共8KB(兩個頁面 )，不會動態(tài)擴展,所以非常有限（你會見到內(nèi)核代碼悶塵納用”大塊”內(nèi)螞沒存都會kmalloc申請的，就是這個原因）。2.6內(nèi)核的沒注意，不知一樣否。詳見：《Linux內(nèi)核源代碼情景分析(上)》267頁。
為什么會在內(nèi)核的原因是CPU的保護(hù)機制，中斷處理需要更高的權(quán)限（可能執(zhí)兄握行硬件相關(guān)的操作），故要在0級，不會在用戶區(qū)的。
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網(wǎng)站欄目：深入探究Linux中斷機制及其對用戶程序的影響(linux中斷用戶程序)
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