linux-中断下半部

引用

• preempt

• 宋宝华： 是谁关闭了Linux抢占，而抢占又关闭了谁？

• Linux用户抢占和内核抢占详解(概念, 实现和触发时机)--Linux进程的管理与调度(二十）

• 内核抢占实现(preempt)

• Linux中的preempt_count - 知乎 (zhihu.com)

• linux 中断子系统 - linux 内核中的上下文判断 - 知乎 (zhihu.com)

• softirq

• linux kernel的中断子系统之（八）：softirq

• Linux Interrupt - 魅族内核团队

• sofirq和tasklet - LoyenWang

• tasklet

• linux kernel的中断子系统之（九）：tasklet

• 高并发的中断下半部tasklet实例解析

• workqueue

• Linux Workqueue- 魅族内核团队

• Concurrency Managed Workqueue - wowo

• Linux中断子系统（四）-Workqueue - LoyenWang

• 任务工厂 - Linux 中的 workqueue 机制 [一] - 知乎 (zhihu.com)

• Linux Workqueue 机制分析 - 博客 - binsite (binss.me)

• Linux中断管理 (3)workqueue工作队列 - ArnoldLu - 博客园 (cnblogs.com)

• timer

• Linux时间子系统之（二）：软件架构

• Linux kernel之内核定时器

• Linux内核定时器和工作队列的总结和实例

• Linux内核高精度定时器hrtimer的使用

• Linux 应用层的时间编程

• 硬件和 GLibC 库的细节

• Linux 内核的工作 - timer

• Linux 内核的工作-hrtimer

---

一. 为什么要有上下半部

中断分成上下半部处理可以提高中断的响应能力，在上半部处理完成后便将cpu中断打开（通常上半部处理越快越好），这样就可以响应其他中断了，等到中断退出的时候再进行下半部的处理。

二. preempt_count

• task_struct结构体中的thread_info.preempt_count用于记录当前任务所处的context状态；

• PREEMPT_BITS

• 用于记录禁止抢占的次数，禁止抢占一次该值就加1，使能抢占该值就减1；

• SOFTIRQ_BITS

• 用于同步处理，关掉下半部的时候加1，打开下半部的时候减1；

• HARDIRQ_BITS

• 用于表示处于硬件中断上下文中；

• in_softirq和in_serving_softirq都表示处于softirq上下文，但并不意味着程序正在执行软中断，区别是：

• in_serving_softirq表示 当前一定有软中断处于执行状态。(bit8 - SOFTIRQ_OFFSET)

• in_softirq 除了可以表示当前有软中断处于执行状态，还有可能表示当前的context只是disable软中断的thread上下文。(例如：local_bh_disable()下的context)

• 中断上下文 - interrupt context

• 我们将 NMI, HARDIRQ, SOFTIRQ 上下文 统称为中断上下文。

• 可用 in_interrupt() 判断

• 进程上下文 - process context

• 与中断上下文相对应。

• 可用 in_task() 判断

• 原子上下文 - atomic context

• 不能发生进程睡眠或者调度的上下文。

• 处于中断上下文，或者显示地禁止了调度，preempt_count()的值都不为0，都不允许睡眠/调度的发生，这两种场景被统称为atomic上下文。

• 可用 in_atomic() 来判断当前cpu是否处于atomic上下文。

• 也就是非 preempt_count 非 0 时，都属于 atomic 上下文，其中包括中断、软中断等中断上下文，还包括进程或者内核线程运行时关中断或者关抢占。

• 由于该接口在有些场景下不能精确检测，所以 不推荐在driver中使用。

• 三种上下文的关系

三. softirq

softirq是静态的，不支持动态分配。

• 相关数据结构

/* 支持的软中断类型，可以认为是软中断号， 其中从上到下优先级递减 */
enum
{HI_SOFTIRQ=0,       /* 最高优先级软中断 */TIMER_SOFTIRQ,      /* Timer定时器软中断 */NET_TX_SOFTIRQ,     /* 发送网络数据包软中断 */NET_RX_SOFTIRQ,     /* 接收网络数据包软中断 */BLOCK_SOFTIRQ,      /* 块设备软中断 */IRQ_POLL_SOFTIRQ,   /* 块设备软中断 */TASKLET_SOFTIRQ,    /* tasklet软中断 */SCHED_SOFTIRQ,      /* 进程调度及负载均衡的软中断 */HRTIMER_SOFTIRQ, /* Unused, but kept as tools rely on thenumbering. Sigh! */RCU_SOFTIRQ,    /* Preferable RCU should always be the last softirq， RCU相关的软中断 */NR_SOFTIRQS
};/* 软件中断描述符，只包含一个handler函数指针 */
struct softirq_action {void	(*action)(struct softirq_action *);
};/* 软中断描述符表，实际上就是一个全局的数组 */
static struct softirq_action softirq_vec[NR_SOFTIRQS] __cacheline_aligned_in_smp;/* CPU软中断状态描述，当某个软中断触发时，__softirq_pending会置位对应的bit */
typedef struct {unsigned int __softirq_pending;unsigned int ipi_irqs[NR_IPI];
} ____cacheline_aligned irq_cpustat_t;/* 每个CPU都会维护一个状态信息结构 */
irq_cpustat_t irq_stat[NR_CPUS] ____cacheline_aligned;/* 内核为每个CPU都创建了一个软中断处理内核线程 */
DEFINE_PER_CPU(struct task_struct *, ksoftirqd);

• 数据结构关系图

• softirq_vec[]数组，类比硬件中断描述符表irq_desc[]，通过软中断号可以找到对应的handler进行处理，比如图中的tasklet_action就是一个实际的handler函数；

• 软中断可以在不同的CPU上并行运行，在同一个CPU上只能串行执行；（即软中断不保证重入问题）

• 每个CPU维护irq_cpustat_t状态结构，当某个软中断需要进行处理时，会将该结构体中的__softirq_pending字段或上1UL << XXX_SOFTIRQ；

• 软中断的触发点

• raise_softirq()/raise_softirq_irqoff() 会设置当前本地cpu的irq_stat中的 __softirq_pending字段，并将相应的软中断号置位，即表明该软中断有处理请求。

• 软中断执行点

• 中断处理后；

• bottom-half enable后；

• 思考

为什么在使能Bottom-half时要进行软中断处理呢？

==》

在并发处理时，可能已经把Bottom-half进行关闭了，如果此时中断来了后，软中断不会被处理，在进程上下文中打开Bottom-half时，这时候就会检查是否有软中断处理请求了；

四. tasklet

tasklet是软中断的一种类型，那么两者有啥区别呢？

• 软中断类型内核中都是静态分配，不支持动态分配，而tasklet支持动态和静态分配，也就是驱动程序中能比较方便的进行扩展；

• 软中断可以在多个CPU上并行运行，因此需要考虑可重入问题，而tasklet会绑定在某个CPU上运行，运行完后再解绑，不要求重入问题，当然它的性能也就会下降一些；

• DEFINE_PER_CPU(struct tasklet_head, tasklet_vec)为每个CPU都分配了tasklet_head结构，该结构用来维护struct tasklet_struct链表，需要放到该CPU上运行的tasklet将会添加到该结构的链表中，内核中为每个CPU维护了两个链表tasklet_vec和tasklet_vec_hi，对应两个不同的优先级，本文以tasklet_vec为例；

• struct tasklet_struct为tasklet的抽象，几个关键字段如图所示，通过next来链接成链表，通过state字段来标识不同的状态以确保能在CPU上串行执行，func函数指针在调用task_init()接口时进行初始化，并在最终触发软中断时执行；

• 接口

/* 静态分配tasklet */
DECLARE_TASKLET(name, func, data)/* 动态分配tasklet */
void tasklet_init(struct tasklet_struct *t, void (*func)(unsigned long), unsigned long data);/* 禁止tasklet被执行，本质上是增加tasklet_struct->count值，以便在调度时不满足执行条件 */
void tasklet_disable(struct tasklet_struct *t);/* 使能tasklet，与tasklet_diable对应 */
void tasklet_enable(struct tasklet_struct *t);/* 调度tasklet，通常在设备驱动的中断函数里调用 */
void tasklet_schedule(struct tasklet_struct *t);/* 杀死tasklet，确保不被调度和执行， 主要是设置state状态位 */
void tasklet_kill(struct tasklet_struct *t)；

五. workqueue/delay wrokqueue

• linux workqueue机制有多个woker 线程？

• 有多个worker_pool，管理多个worker。

• 针对bound绑定类型的工作队列，worker_pool是Per-CPU创建，每个CPU都有两个worker_pool，对应不同的优先级，nice值分别为0和-20；

• 针对un-bound非绑定类型的工作队列，worker_pool创建后会添加到unbound_pool_hash哈希表中；

• 每个worker_pool至少有一个worker。

• worker内核线程是在每个worker_pool中由一个初始的空闲工作线程创建的，并根据需要动态创建和销毁;

• create_worker函数中，创建的内核线程名字为kworker/XX:YY或者kworker/uXX:YY，其中XX表示worker_pool的编号，YY表示worker的编号，u表示unbound；

• bound和un-bound workqueue的区别？

• bound：绑定处理器的工作队列，其会被bound的worker_pool服务，该worker_pool创建的worker内核线程会被绑定到特定的CPU上运行；

• unbound：不绑定处理器的工作队列，其会被un-bound的worker_pool服务，创建的时候需要指定WQ_UNBOUND标志，内核线程可以在处理器间迁移；

• 何时创建更多的worker？

• 内核线程执行worker_thread函数时，如果没有空闲的worker，会调用manage_workers接口来创建更多的worker来处理工作；

• 何时销毁多余的worker？

• 一个worker被创建后首先进入worker_enter_idle()，里面启动了pool->idle_timer，定时IDLE_WORKER_TIMEOUT即300HZ。如果一个worker进入idle超过300HZ，即会执行idle_worker_timeout()，会根据情况进行销毁多余的worker。

• 如何解决一个work阻塞或者死锁了，导致其他的work得不到执行，即各种work之间的互相影响？

• 在worker线程执行时，会尝试进行worker_pool管理工作，即会检查worker_pool中是否有至少一个idle状态的worker，如果没有，则创建一个新的worker。

• 系统每100ms启动pool->mayday_timer定时器，检查当前workerpool中是否存在allocation deadlock异常，如果指定了WQ_MEM_RECLAIM，则会启动rescuer worker 进行处理。

• 管理worker_pool的内核线程池时，如果有PENDING状态的work，并且发现没有正在运行的工作线程(worker_pool->nr_running == 0)，唤醒空闲状态的内核线程，或者动态创建内核线程；

• 如果work已经在同一个worker_pool的其他worker中执行，不再对该work进行处理（防重入处理）；

• schedule_work 是如何工作的？

• schedule_work完成的工作是将work添加到对应的链表中，而在添加的过程中，首先是需要确定pool_workqueue；

• pool_workqueue对应一个worker_pool，因此确定了pool_workqueue也就确定了worker_pool，进而可以将work添加到工作链表中；

• pool_workqueue的确定分为三种情况：

• bound类型的工作队列，直接根据CPU号获取（可指定cpu，如果没有指定，则用当前cpu。）；

• unbound类型的工作队列，根据node号获取，针对unbound类型工作队列，pool_workqueue的释放是异步执行的，需要判断refcnt的计数值，因此在获取pool_workqueue时可能要多次retry；

• 根据缓存热度，优先选择正在被执行的worker_pool（所以，指定了cpu也不一定生效）；

• WORK_STRUCT_PENDING_BIT何时被设置以及被清0?

• 当一个work已经加入到workqueue队列中，schedule_work()->queue_work()->queue_work_on()时被设置。

• 当一个work在工作线程里马上要执行(即执行work之前)，worker_thread()->process_on_work()->set_work_pool_and_clear_pend是清0。

• 上述设置和清0都是在关闭本地中断情况下执行的。

• 如何判断一个workqueue中的work已经全部执行完成？

• 添加一个flush work到对应的workqueue中，如果该flush work都已经被执行了，那它之前的work也应该被执行完成了。

• 如何指定一个work跑到特定的cpu上？

• 寻找合适的pool_workqueue，优先选择本地CPU对应的pool_workqueue；如果该work正在另一个CPU工作线程池中运行，则优先选择此工作线程池。

• 如果一个work正在上一次的worker_pool中执行，则本次work也会被放到上次执行的worker_pool中，是为了利用缓存，提高效率。 (即work_queue_on() 不一定能够指定运行的cpu。)

• 如何指定一个workqueue中，不同work被同时执行的个数？

• 判断当前pool_workqueue的work活跃数量，如果少于最高限值，就加入pending状态链表worker_pool->worklist,否则加入delayed_works链表中。

• 如果一个worker_pool中的worker要进入睡眠了，如何保证其余的work能够被执行？

• 在__schedule() 函数中，会进行处理。

• 当一个工作线程要被调度器换出时，调用wq_worker_sleeping()看看是否需要唤醒同一个线程池中的其它内核线程。

• workqueue lockup机制是怎么样的？

• 会用一个timer 检查一个work执行了 30s都没有退出，就会大于warning log。

• WQ_MEM_RECLAIM 标志表示什么意思？

• 创建工作队列时，如果设置了WQ_MEM_RECLAIM标志，则会新建rescuer worker，对应rescuer_thread内核线程。

• 目的是当内存紧张时，新创建worker可能会失败，这时候由rescuer来处理这种情况；

• 数据结构

• work_struct：工作队列调度的最小单位，work item；

• workqueue_struct：工作队列，work item都挂入到工作队列中；

• worker：work item的处理者，每个worker对应一个内核线程；

• worker_pool：worker池（内核线程池），是一个共享资源池，提供不同的worker来对work item进行处理；

• pool_workqueue：充当桥梁纽带的作用，用于连接workqueue和worker_pool，建立链接关系；

六. timer