Linux: softirq 简介

JiMoKuangXiangQu2024-04-13 21:16

文章目录

  • [1. 前言](#1. 前言)
  • [2. softirq 实现](#2. softirq 实现)
    • [2.1 softirq 初始化](#2.1 softirq 初始化)
      • [2.1.1 注册各类 softirq 处理接口](#2.1.1 注册各类 softirq 处理接口)
      • [2.1.2 创建 softirq 处理线程](#2.1.2 创建 softirq 处理线程)
    • [2.2 softirq 的 触发 和 处理](#2.2 softirq 的 触发 和 处理)
      • [2.1.1 softirq 触发](#2.1.1 softirq 触发)
      • [2.1.2 softirq 处理](#2.1.2 softirq 处理)
        • [2.1.2.1 在 中断上下文 处理 softirq](#2.1.2.1 在 中断上下文 处理 softirq)
        • [2.1.2.2 在 ksoftirqd 内核线程上下文 处理 softirq](#2.1.2.2 在 ksoftirqd 内核线程上下文 处理 softirq)
  • [3. softirq 之 tasklet](#3. softirq 之 tasklet)
    • [3.1 定义初始化 tasklet](#3.1 定义初始化 tasklet)
    • [3.2 使能调度 tasklet](#3.2 使能调度 tasklet)
    • [3.3 执行 tasklet](#3.3 执行 tasklet)
  • [4. softirq 同步](#4. softirq 同步)
  • [5. softirq 观测](#5. softirq 观测)
  • [6. softirq 的未来](#6. softirq 的未来)

1. 前言

2. softirq 实现

2.1 softirq 初始化

2.1.1 注册各类 softirq 处理接口

c 复制代码 
start_kernel() /* init/main.c */
	...
	sched_init(); /* kernel/sched/core.c */
		...
		init_sched_fair_class(); /* kernel/sched/fair.c */
		#ifdef CONFIG_SMP
			open_softirq(SCHED_SOFTIRQ, run_rebalance_domains); /* 调度均衡处理 软中断 */
			...
		#endif
		...
	...
	/* 注册 RCU 软中断 处理接口  */
	rcu_init(); /* kernel/rcu/tree.c */
		...
		open_softirq(RCU_SOFTIRQ, rcu_process_callbacks);
		...
	...
	/*
	 * 所有 CPU 的 软件 timer 管理数据初始化, 
	 * 以及 软件 timer 软中断处理接口注册.
	 */
	init_timers(); /* kernel/time/timer.c */
		init_timer_cpus();
		/* 注册软件 timer 处理接口: 在 softirq 中处理 每个 CPU 上的 软件 timer */
		open_softirq(TIMER_SOFTIRQ, run_timer_softirq);
	...
	/* tasklet 软中断 初始化 */
	softirq_init(); /* kernel/softirq.c */
		int cpu;

		/* 初始每 CPU 的 tasklet, tasklet hi 队列为空 */
		for_each_possible_cpu(cpu) {
			per_cpu(tasklet_vec, cpu).tail =
				&per_cpu(tasklet_vec, cpu).head;
			per_cpu(tasklet_hi_vec, cpu).tail =
				&per_cpu(tasklet_hi_vec, cpu).head;
		}

		/* 注册 taslet(TASKLET_SOFTIRQ), tasklet hi(HI_SOFTIRQ) 软中断 处理接口 */
		open_softirq(TASKLET_SOFTIRQ, tasklet_action);
		open_softirq(HI_SOFTIRQ, tasklet_hi_action);
c 复制代码 
start_kernel()
	...
	rest_init();
		/* 在 BOOT CPU 上启动初始化线程, 处理剩下的初始化工作 */
		pid = kernel_thread(kernel_init, NULL, CLONE_FS);

/* 初始化线程入口 */
kernel_init()
	kernel_init_freeable();
		do_basic_setup();
			do_initcalls();
				do_initcall_level(level);
					do_one_initcall(*fn);
						/*
						 * block/blk-softirq.c, blk_softirq_init()
						 * lib/irq_poll.c, irq_poll_setup()
						 * net/core/dev.c, net_dev_init()
						 */
						fn()

blk_softirq_init() /* block/blk-softirq.c */
	...
	open_softirq(BLOCK_SOFTIRQ, blk_done_softirq);
	...

irq_poll_setup() /* lib/irq_poll.c */
	...
	open_softirq(IRQ_POLL_SOFTIRQ, irq_poll_softirq);
	...

net_dev_init() /* net/core/dev.c */
	...
	/* 注册 网络设备 收、发 软中断 处理接口 */
	open_softirq(NET_TX_SOFTIRQ, net_tx_action);
	open_softirq(NET_RX_SOFTIRQ, net_rx_action);
	...

从上面的代码分析中，我们看到了如下列表中、各类型软中断处理接口的注册：

c 复制代码 
/* include/linux/interrupt.h */

enum
{
	HI_SOFTIRQ=0, 
	TIMER_SOFTIRQ,
	NET_TX_SOFTIRQ,
	NET_RX_SOFTIRQ,
	BLOCK_SOFTIRQ,
	IRQ_POLL_SOFTIRQ,
	TASKLET_SOFTIRQ, 
	SCHED_SOFTIRQ,
	HRTIMER_SOFTIRQ, /* Unused, but kept as tools rely on the
			numbering. Sigh! */
	RCU_SOFTIRQ,    /* Preferable RCU should always be the last softirq */
	
	NR_SOFTIRQS
};

注册软中端处理接口的函数 open_softirq() 实现如下：

c 复制代码 
/* kernel/softirq.c */

static struct softirq_action softirq_vec[NR_SOFTIRQS] __cacheline_aligned_in_smp;

void open_softirq(int nr, void (*action)(struct softirq_action *))
{
	softirq_vec[nr].action = action;
}

2.1.2 创建 softirq 处理线程

open_softirq() 注册的各类软中断处理接口，可能运行于两种上下文：

bash 复制代码 
1. 中断上下文，软中断处理接口在中断处理过程退出时被 irq_exit() 调用。
2. 每 CPU 的软中断线程 ksoftirqd 上下文。

本小节描述软中断接口运行的第2种上下文建立的过程，即 每 CPU 的软中断线程 ksoftirqd 的建立过程。ksoftirqd 的建立，是在内核初始化线程中完成：

c 复制代码 
kernel_init()
	kernel_init_freeable();
		do_pre_smp_initcalls();
			for (fn = __initcall_start; fn < __initcall0_start; fn++)
				do_one_initcall(*fn);
					/* 调用 early_initcall(spawn_ksoftirqd); */
					spawn_ksoftirqd() /* kernel/softirq.c */
c 复制代码 
static struct smp_hotplug_thread softirq_threads = {
	.store			= &ksoftirqd,
	.thread_should_run	= ksoftirqd_should_run,
	.thread_fn		= run_ksoftirqd,
	.thread_comm		= "ksoftirqd/%u",
};

static __init int spawn_ksoftirqd(void)
{
	...
	/* 注册每 CPU 软中断线程 ksoftirqd */
	BUG_ON(smpboot_register_percpu_thread(&softirq_threads));

	return 0;
}

上面的代码，为每个 CPU 创建了一个名为 ksoftirqd 的内核线程，内核线程的入口函数为 run_ksoftirqd() 。我们可以用 ps 命令观察到它们：

bash 复制代码 
# ps -ef | grep ksoftirqd
   10 root     [ksoftirqd/0]
   16 root     [ksoftirqd/1]
   21 root     [ksoftirqd/2]
   26 root     [ksoftirqd/3]

我们看到，在这个带 4 核 CPU 的硬件上，Linux 内核创建了 4 个 ksoftirqd 内核线程。

2.2 softirq 的 触发 和 处理

2.1.1 softirq 触发

Linux 系统提供下列接口 抛出 或 生成 softirq：

c 复制代码 
/* include/linux/interrupt.h */

extern void raise_softirq_irqoff(unsigned int nr);
extern void raise_softirq(unsigned int nr);

extern void __raise_softirq_irqoff(unsigned int nr);

来看下它们的实现：

c 复制代码 
/* kernel/softirq.c */

#ifndef __ARCH_IRQ_STAT
irq_cpustat_t irq_stat[NR_CPUS] ____cacheline_aligned; /* 每 CPU 的 softirq 挂起状态 */
EXPORT_SYMBOL(irq_stat);
#endif

void raise_softirq(unsigned int nr)
{
	unsigned long flags;

	/* ARMv7: 读取 CPSR 寄存器的值到 @flags, 同时关闭 CPU IRQ 中断 */
	local_irq_save(flags);
	raise_softirq_irqoff(nr);
	/* ARMv7: CPSR = flags */
	local_irq_restore(flags);
}

/*
 * This function must run with irqs disabled!
 */
inline void raise_softirq_irqoff(unsigned int nr)
{
	__raise_softirq_irqoff(nr);

	/*
	 * If we're in an interrupt or softirq, we're done
	 * (this also catches softirq-disabled code). We will
	 * actually run the softirq once we return from
	 * the irq or softirq.
	 *
	 * Otherwise we wake up ksoftirqd to make sure we
	 * schedule the softirq soon.
	 */
	if (!in_interrupt())
		wakeup_softirqd(); /* 唤醒 当前 CPU 的 ksoftirq 线程, 处理 softirq */ 
}

void __raise_softirq_irqoff(unsigned int nr)
{
	trace_softirq_raise(nr);
	or_softirq_pending(1UL << nr); /* 标记 [当前 CPU] 有挂起的、@x 类型的 softirq */
}

/* include/linux/interrupt.h */
#ifndef __ARCH_SET_SOFTIRQ_PENDING
#define set_softirq_pending(x) (local_softirq_pending() = (x))
#define or_softirq_pending(x)  (local_softirq_pending() |= (x))
#endif

/* include/linux/irq_cpustat.h */
#ifndef __ARCH_IRQ_STAT
extern irq_cpustat_t irq_stat[];  /* defined in asm/hardirq.h */
#define __IRQ_STAT(cpu, member) (irq_stat[cpu].member)
#endif

#define local_softirq_pending() \
	__IRQ_STAT(smp_processor_id(), __softirq_pending)

2.1.2 softirq 处理

c 复制代码 
/* arch/arm/kernel/entry-armv.S */

	/*
	 * 中断向量表。
	 * 这里是第1级，每项是各模式下第2级向量表的指针，
	 * 即中断向量表是按 vector[8][16] 的形式组织。
	 * 第1级是各中断类型的入口: reset, undef, swi, ...
	 * 第2级是各中断类型下，各CPU模式的入口: usr, svc, irq, fiq, ...
	 */
	.section .vectors, "ax", %progbits
.L__vectors_start:
	W(b)	vector_rst /* 复位 */
	W(b)	vector_und /* 未定义指令异常向量表指针: vector_stub	und, UND_MODE */
	...
	/* IRQ 中断 各 CPU 模式处理接口 组成 */
	W(b)	vector_irq /* IRQ: vector_stub	irq, IRQ_MODE, 4 */
	...

/*
 * Interrupt dispatcher
 */
 	/* IRQ 中断 各 CPU 模式处理接口 组成 */
	vector_stub irq, IRQ_MODE, 4 /* vector_irq */
	// CPU User 模式 IRQ 中断处理入口
	.long __irq_usr   @  0  (USR_26 / USR_32)
	.long __irq_invalid   @  1  (FIQ_26 / FIQ_32)
	.long __irq_invalid   @  2  (IRQ_26 / IRQ_32)
	// CPU SVC 模式 IRQ 中断处理入口
	.long __irq_svc   @  3  (SVC_26 / SVC_32)
	......

	.align 5
__irq_svc: // CPU SVC 模式 IRQ 中断处理入口 (中断发生在 内核态)
	...
	irq_handler
	...

	.align 5
__irq_usr: // CPU User 模式 IRQ 中断处理入口 (中断发生在 用户态)
	...
	irq_handler
	...

我们看到，不管是内核态，还是用户态，中断处理都调用 irq_handler，看它的定义：

c 复制代码 
/*
 * Interrupt handling.
 */
	.macro irq_handler
#ifdef CONFIG_MULTI_IRQ_HANDLER
	ldr r1, =handle_arch_irq /* r1 = gic_handle_irq() */
	mov r0, sp
	badr lr, 9997f
	ldr pc, [r1]
#else
	...
#endif
9997:
	.endm

irq_handler 是个汇编宏，它调用了 ARM GIC 芯片的中断处理接口 gic_handle_irq()，这个接口是在初始化 GIC 中断芯片时注册的。gic_handle_irq() 在其处理中断即将退出前，处理 softirq：

c 复制代码 
gic_handle_irq(regs) /* drivers/irqchip/irq-gic.c */
	/* 处理 SPI, PPI */
	if (likely(irqnr > 15 && irqnr < 1020)) { /* 处理 PPI, SPI */
		handle_domain_irq(gic->domain, irqnr, regs); /* include/linux/irqdesc.h */
			__handle_domain_irq(domain, hwirq, true, regs);
				__handle_domain_irq(domain, hwirq, true, regs); /* kernel/irq/irqdesc.c */
					irq_enter();
				
					// 处理中断：这里不关心中断处理的细节
					...
				
					irq_exit(); /* 软中断, RCU 等等处理 */
					set_irq_regs(old_regs);
					return ret;
		...
	}
	
	if (irqnr < 16) { /* 处理 SGI */
		...
	#ifdef CONFIG_SMP
		...
		handle_IPI(irqnr, regs); /* arch/arm/kernel/smp.c */
			// 除了用来唤醒 CPU 的 IPI_WAKEUP 中断外，都会有 irq_enter() + irq_exit()。
			// 至于要被唤醒的 CPU ，都还在睡大觉，就别指望它来处理 softirq 了。
			irq_enter();
			// 处理 IPI 中断
			...
			irq_exit();
			...
	#endif
		...
	}

先看下 irq_enter()，因为它会更新一个和 sotfirq 处理相关的计数：

c 复制代码 
irq_enter() /* kernel/softirq.c */
	...
	__irq_enter(); /* include/linux/hardirq.h */
		...
		/* HARDIRQ_OFFSET 计数加 1 */
		preempt_count_add(HARDIRQ_OFFSET); /* include/linux/preempt.h */
			__preempt_count_add(HARDIRQ_OFFSET) /* include/asm-generic/preempt.h */
				//*preempt_count_ptr() += HARDIRQ_OFFSET;
				&current_thread_info()->preempt_count += HARDIRQ_OFFSET;
		...

这里的 current_thread_info()->preempt_count 有必要再展开下：

c 复制代码 
/* arch/arm/include/asm/thread_info.h */

struct thread_info {
	...
	/*
	 * 以下类型的计数, 分别占用 @preempt_count 不同 bits:
	 * PREEMPT_OFFSET, SOFTIRQ_OFFSET, SOFTIRQ_OFFSET, NMI_OFFSET
	 */
	int   preempt_count; /* 0 => preemptable, <0 => bug */
	...
	/* thread_info 所属的 进程(对象) */
	struct task_struct *task;  /* main task structure */
	...
};

...

/*
 * how to get the current stack pointer in C
 */
register unsigned long current_stack_pointer asm ("sp");

/*
 * how to get the thread information struct from C
 */
static inline struct thread_info *current_thread_info(void) __attribute_const__;

static inline struct thread_info *current_thread_info(void)
{
	/* current_stack_pointer: SP 寄存器的值 */
	return (struct thread_info *)
		(current_stack_pointer & ~(THREAD_SIZE - 1));
}

看到了吧，preempt_count_add(HARDIRQ_OFFSET) 修改的计数值，是当前 CPU 上被 IRQ 中断进程的 struct thread_info 的 preempt_count 成员变量。后面的讨论和这个计数变量密切相关，我们需要提前了解它的来源。

前面讲到，softirq 会在 中断上下文 或 ksoftirqd 内核线程上下文 被处理，先来看在 中断上下文 处理 softirq 的细节。

2.1.2.1 在 中断上下文 处理 softirq
c 复制代码 
irq_exit()
	...
	/* 这里减去 irq_enter() 增加的 HARDIRQ_OFFSET 计数，将 HARDIRQ_OFFSET 计数 归 0 */
	preempt_count_sub(HARDIRQ_OFFSET);
	...
	if (!in_interrupt() && local_softirq_pending())
		invoke_softirq(); /* 处理当前 CPU 挂起待处理 softirq 事件 */
			/*
			 * 如果 ksoftirqd 当前正在运行状态, 并且没有要求同步处理的
			 * tasklet, tasklet hi softirq 事件, 则将挂起的 softirq 交给
			 * ksoftirqd 处理, 而不是在这里的 IRQ 中断上下文处理.
			 */
			if (ksoftirqd_running(local_softirq_pending()))
				return;
			
			if (!force_irqthreads) { /* 如果 不是强制要求使用 ksoftirqd 处理 softirq, */
		#ifdef CONFIG_HAVE_IRQ_EXIT_ON_IRQ_STACK
				/*
				 * We can safely execute softirq on the current stack if
				 * it is the irq stack, because it should be near empty
				 * at this stage.
				 */
				__do_softirq();
			#else
				/*
				 * Otherwise, irq_exit() is called on the task stack that can
				 * be potentially deep already. So call softirq in its own stack
				 * to prevent from any overrun.
				 */
				/*
				 * 在 IRQ 中断处理即将结束时, 如果 在 IRQ 中断上下文处理 softirq.
				 * 当前 CPU 的本地中断处于禁用状态.
				 */ 
				do_softirq_own_stack();
					__do_softirq();
			#endif
			} else { /* 强制通过 ksoftirqd 处理 softirq, 则唤醒 ksoftirqd 处理 softirq */
				wakeup_softirqd();
			}
	...
c 复制代码 
/* 中断上下文 和 ksoftirqd 内核线程上下文 处理 softirq 的公共逻辑 */
__do_softirq() /* kernel/softirq.c */
	unsigned long end = jiffies + MAX_SOFTIRQ_TIME; /* softirq 处理超时时间: 2ms */
	unsigned long old_flags = current->flags;
	int max_restart = MAX_SOFTIRQ_RESTART; /* softirq 处理最大轮次 */
	struct softirq_action *h;
	...
	__u32 pending;
	int softirq_bit;

	...
	pending = local_softirq_pending(); /* 读取当前 CPU 挂起的 softirq 事件 */
	...
	/*
	 * 禁用 softirq，防止 __do_softirq() 当前 CPU 上的重入。
	 * 譬如中断抢占、嵌套的情形，可以避免 ksoftirqd 上下文 和 中断上下处理上下文
	 * 并发的问题，这可以让我们编写 softirq action 接口时，不必考虑所有的竞争场景，
	 * 这将在后面的章节 4. softirq 同步里面细述。
	 */
	__local_bh_disable_ip(_RET_IP_, SOFTIRQ_OFFSET);
	...

restart:
	/* Reset the pending bitmask before enabling irqs */
	set_softirq_pending(0); /* 清除当前 CPU 挂起的 softirq */

	local_irq_enable(); /* 启用 CPU 本地中断，避免 softirq 耗时太长，使得中断得不到响应 */

	h = softirq_vec;

	/* 
	 * 返回当前 CPU 挂起未处理的、最高优先级 softirq 类型, 
	 * 按 softirq 优先级 从高到低 进行处理.
	 */
	while ((softirq_bit = ffs(pending))) {
		unsigned int vec_nr;
		...

		h += softirq_bit - 1; /* 软中断向量: softirq_vec[vec_nr] */

		vec_nr = h - softirq_vec; /* softirq 类型: HI_SOFTIRQ, ..., RCU_SOFTIRQ */
		...

		/*
		 * 统计当前 CPU @vec_nr 类型中断的发生次数。
		 * 用户空间可通过文件 /proc/softirqs
		 * 查看, 实现于代码文件 fs/proc/softirqs.c
		 */
		kstat_incr_softirqs_this_cpu(vec_nr);

		trace_softirq_entry(vec_nr);
		/*
		 * 各类型 softirq 处理接口, 优先级 从高到低:
		 * HI_SOFTIRQ: tasklet_hi_action()
		 * TIMER_SOFTIRQ: run_timer_softirq()
		 * NET_TX_SOFTIRQ: net_tx_action()
		 * NET_RX_SOFTIRQ: net_rx_action()
		 * BLOCK_SOFTIRQ: blk_done_softirq()
		 * IRQ_POLL_SOFTIRQ: irq_poll_softirq()
		 * TASKLET_SOFTIRQ: tasklet_action()
		 * SCHED_SOFTIRQ: run_rebalance_domains()
		 * HRTIMER_SOFTIRQ: 没用到, 占位符, 工具依赖的编号顺序
		 * RCU_SOFTIRQ: rcu_process_callbacks()
		 */
		h->action(h);
		trace_softirq_exit(vec_nr);
		...
		h++;
		pending >>= softirq_bit;
	}

	...
	/*
	 * 重新禁用 CPU 本地中断.
	 * 在 接下来的一轮 (跳到 restart 处) softirq 处理
	 * 或
	 * 退出中断处理时
	 * 会重新启用.
	 */
 	local_irq_disable();

	/* 
	 * 软中断处理接口有可能又抛出了 softirq 事件.
	 * 譬如有未启用的 tasklet, 后续需要在启用调度后得到机会
	 * 执行, 需要重新抛出 TASKLET_SOFTIRQ, 详见 tasklet_action().
	 * tasklet hi 也是类似的.
	 */
	pending = local_softirq_pending();
	if (pending) {
		/*
		 * 如果处理 softirq 期间, 又有新的 softirq 挂起, 
		 * 且 同时满足下列条件:
		 * . 软中断处理没有超时 (MAX_SOFTIRQ_TIME == 2ms)
		 * . 没有挂起调度请求
		 * . 没有超过 softirq 处理轮数 (MAX_SOFTIRQ_RESTART == 10)
		 * 则接着发起新的一轮 softirq 处理.
		 */
		if (time_before(jiffies, end) && !need_resched() && --max_restart)
			goto restart;

		/*
		 * 不满足在此立刻发起新的 softirq 处理的条件, 则唤醒 
		 * ksoftirqd, 将挂起 softirq 交给该内核线程处理.
		 */
		wakeup_softirqd();
	}

	...
	__local_bh_enable(SOFTIRQ_OFFSET); /* 使能 softirq */
	...

可能在中断上下文处理 softirq ，昭示着一个很重要的事实，那就是所有的 softirq 的处理代码，都不能有导致睡眠、调度的代码。

2.1.2.2 在 ksoftirqd 内核线程上下文 处理 softirq
c 复制代码 
/* kernel/softirq.c */

static void run_ksoftirqd(unsigned int cpu)
{
	local_irq_disable();
	if (local_softirq_pending()) {
		/*
		 * We can safely run softirq on inline stack, as we are not deep
		 * in the task stack here.
		 */
		__do_softirq(); /* 在 线程上下文 处理本地 CPU 上的 softirq 事件，细节同中断上下文的分析 */
		local_irq_enable();
		...
		return;
	}
	local_irq_enable();
}

3. softirq 之 tasklet

3.1 定义初始化 tasklet

c 复制代码 
/* include/linux/interrupt.h */

struct tasklet_struct
{
	struct tasklet_struct *next;
	/*
	 * bit-0: 1 表示 tasklet 为调度状态.
	 *        被 tasklet_trylock() 设置, tasklet_unlock() 清除.
	 * bit-1: 1 表示 tasklet 为运行态(仅用于 SMP), 
	 *        被 tasklet_schedule() 设置, 被 __do_softirq()
	 *        执行过后清除.
	 */
	unsigned long state;
	atomic_t count; /* 0 表示 tasklet 为启用状态，非 0 表示 tasklet 为禁用状态 */
	void (*func)(unsigned long);
	unsigned long data;
};
c 复制代码 
/* include/linux/interrupt.h */

/* 方法一: 静态定义 tasklet 对象 */
#define DECLARE_TASKLET(name, func, data) \
	struct tasklet_struct name = { NULL, 0, ATOMIC_INIT(0), func, data }

DECLARE_TASKLET(my_tasklet, my_tasklet_function, (unsigned long)my_tasklet_data);

/* 方法二：动态定义 tasklet 对象 */
/* include/linux/interrupt.h */

struct tasklet_struct my_tasklet;
tasklet_init(&my_tasklet, my_tasklet_function, (unsigned long)my_tasklet_data); /* kernel/softirq.c */
	t->next = NULL;
	t->state = 0;
	atomic_set(&t->count, 0);
	t->func = func;
	t->data = data;

3.2 使能调度 tasklet

c 复制代码 
/* include/linux/interrupt.h */

static inline void tasklet_schedule(struct tasklet_struct *t)
{
	/*
	 * 标记 tasklet 为 TASKLET_STATE_SCHED 状态: 
	 * TASKLET_STATE_SCHED 态的 tasklet 将在 softirq 里面被调度执行.
	 */
	if (!test_and_set_bit(TASKLET_STATE_SCHED, &t->state)) /* 不能对 tasklet 重复调度 */
		__tasklet_schedule(t);
}

/* kernel/softirq.c */

/*
 * Tasklets
 */
struct tasklet_head {
	struct tasklet_struct *head;
	struct tasklet_struct **tail;
};

static DEFINE_PER_CPU(struct tasklet_head, tasklet_vec); /* 每 CPU 的 tasklet 队列 (TASKLET_SOFTIRQ) */
static DEFINE_PER_CPU(struct tasklet_head, tasklet_hi_vec); /* 每 CPU 的 tasklet hi 队列 (HI_SOFTIRQ) */

void __tasklet_schedule(struct tasklet_struct *t)
{
	unsigned long flags;

	local_irq_save(flags);
	t->next = NULL;
	*__this_cpu_read(tasklet_vec.tail) = t;
	__this_cpu_write(tasklet_vec.tail, &(t->next));
	raise_softirq_irqoff(TASKLET_SOFTIRQ); /* 抛出 tasklet 软中断 */
	local_irq_restore(flags);
}

用一张图来看下 tasklet 组织数据结构，有助于我们理解后面对 tasklet 执行过程 的分析：

3.3 执行 tasklet

c 复制代码 
/* kernel/softirq.c */
__do_softirq()
	...
	h->action(h);
		tasklet_action()
	...

这里只分析 tasklet_action() ，tasklet_hi_action() 的逻辑几乎完全一样，这里就不再赘述，感兴趣的读者可自行阅读相关源码。

c 复制代码 
static __latent_entropy void tasklet_action(struct softirq_action *a)
{
	struct tasklet_struct *list;

	/* 一次性处理当前 CPU 上所有挂起的 tasklet */
	local_irq_disable();
	list = __this_cpu_read(tasklet_vec.head); /* @list -> 当前 tasklet 列表的第 1 个 tasklet */
	/* 
	 * 清空当前 CPU 的 tasklet 列表: 
	 * .head -> NULL
	 * .tail -> &.head
	 */
	__this_cpu_write(tasklet_vec.head, NULL);
	__this_cpu_write(tasklet_vec.tail, this_cpu_ptr(&tasklet_vec.head));
	local_irq_enable();

	/* 处理列表 @list 中所有启用的、被调度的 tasklet */
	while (list) {
		struct tasklet_struct *t = list;

		list = list->next;

		/* 
		 * 标记 tasklet 为 TASKLET_STATE_RUN 态锁定 tasklet:
		 * . 如果返回 false 表示 tasklet 已经处于 TASKLET_STATE_RUN, 
		 *   锁定 tasklet 失败;
		 * . 否则返回 true 表示锁定 tasklet 成功.
		 */
		if (tasklet_trylock(t)) {
			if (!atomic_read(&t->count)) { /* tasklet 为启用状态 */
				if (!test_and_clear_bit(TASKLET_STATE_SCHED, 
					&t->state)) /* 已执行的 tasklet 清除调度标记 */
					/*
					 * 如果
					 * !test_and_clear_bit(TASKLET_STATE_SCHED, &t->state)
					 * 成立, 表示 tasklet 没有被设置 TASKLET_STATE_SCHED 位:
					 * 非 TASKLET_STATE_SCHED 态的 tasklet 出现在 tasklet_vec 
					 * 中，被认为是一个 BUG.
					 * 程序代码通过 tasklet_schedule() 设置 TASKLET_STATE_SCHED. 
					 */
					BUG();
				t->func(t->data);
				tasklet_unlock(t);
				/*
				 * 继续执行下一个 tasklet.
				 *
				 * 可以看到, 启用并被调度的 tasklet 的执行是一次性的,
				 * 要想反复执行 tasklet, 需要重新通过 tasklet_schedule()
				 * 调度 tasklet 执行.
				 */
				continue;
			}
			/*
			 * tasklet 没有启用, 清除 tasklet 的 TASKLET_STATE_RUN 态释放
			 * tasklet, 接着将该 tasklet 归还到当前 CPU 的 队列, 以备后续
			 * 启用了再执行.
			 */
			tasklet_unlock(t);
		}

		/*
		 * tasklet 当前从当前 CPU 的 tasklet 队列中移除了, 
		 * 而且 tasklet 没有被启用, 仍然归还到当前 CPU 的
		 * tasklet 队列中, 以备后续启用了再执行.
		 */
		local_irq_disable();
		/* 将没有执行的 tasklet 归还到当前 CPU 的 tasklet 队列 */
		t->next = NULL;
		*__this_cpu_read(tasklet_vec.tail) = t;
		__this_cpu_write(tasklet_vec.tail, &(t->next));
		/* 
		 * 当前 CPU 有未启用的、未被执行的 tasklet, 
		 * 重新抛出 TASKLET_SOFTIRQ, 让这些未启用的
		 * tasklet 后续在启用并调度后有机会被执行.
		 */
		__raise_softirq_irqoff(TASKLET_SOFTIRQ);
		local_irq_enable();
	}
}

4. softirq 同步

对于 tasklet hi (HI_SOFTIRQ) 和 tasklet (TASKLET_SOFTIRQ) ，因为它们有每 CPU 独立的队列，所以它们总是在(通过 tasklet_schedule() )提交的 CPU 上执行，同一 CPU 队列上的 tasklet 也按提交的顺序串行的执行；另外，同一个 tasklet，无法同时提交到多个 CPU 上去执行，看 tasklet_schedule() 的实现：

c 复制代码 
static inline void tasklet_schedule(struct tasklet_struct *t)
{
	/*
	 * 标记 tasklet 为 TASKLET_STATE_SCHED 状态: 
	 * TASKLET_STATE_SCHED 态的 tasklet 将在 softirq 里面被调度执行.
	 */
	if (!test_and_set_bit(TASKLET_STATE_SCHED, &t->state)) /* 不能对 tasklet 重复调度 */
		__tasklet_schedule(t);
}

而对于剩余其它类型的 softirq ，虽然它们也总是在提交的 CPU 上执行，但不同于 tasklet 的是，它们可能在多个 CPU 上并行，如 支持硬件多队列的网卡驱动，可能导致 net_rx_action() 在多个 CPU 上同时运行。

了解 softirq 的同步，有助于我们写出正确的代码，这是很重要的。

5. softirq 观测

bash 复制代码 
# cat /proc/softirqs
                    CPU0        CPU1        CPU2        CPU3
          HI:          0           0           0           0
       TIMER:       6817        6083        8633        5130
      NET_TX:          0           0           0           0
      NET_RX:          2          16           6          10
       BLOCK:      11161       11269        5199        4379
    IRQ_POLL:          0           0           0           0
     TASKLET:          1           1           8           1
      SCHED:        4522        3375        3217        2745
    HRTIMER:           0           0           0           0
        RCU:        5661        5083        6497        4399

第 1 行示了系统中 CPU，接下来的每一行显示了每种类型 softirq 在每个 CPU 上发生的次数。另外，从下面的代码：

c 复制代码 
static void __local_bh_enable(unsigned int cnt)
{
	...
	if (softirq_count() == (cnt & SOFTIRQ_MASK))
		trace_softirqs_on(_RET_IP_);
	...
}

asmlinkage __visible void __softirq_entry __do_softirq(void)
{
	...
	while ((softirq_bit = ffs(pending))) {
		...
		trace_softirq_entry(vec_nr);
		h->action(h);
		trace_softirq_exit(vec_nr);
		...
	}
	...
}

看到，Linux 内核也提供 tracepoint / traceevent 来跟踪 softirq 的执行情况。

6. softirq 的未来

softirq 虽然存在发展很多年，但一直存在一些让人诟病的东西，社区有要移除 softirq (一部分) 的声音，感兴趣的读者，可以阅读这边文章 The end of tasklets。该篇文章的一些参考链接，也值得阅读一下。

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