09 基础篇:怎么理解Linux软中断?

你好,我是倪朋飞。

上一期,我用一个不可中断进程的案例,带你学习了iowait(也就是等待I/O的CPU使用率)升高时的分析方法。这里你要记住,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,你就得当心了。这时,你可以使用 dstat、pidstat 等工具,确认是不是磁盘 I/O 的问题,进而排查相关的进程和磁盘设备。关于磁盘 I/O 的性能问题,你暂且不用专门去背,我会在后续的 I/O 部分详细介绍,到时候理解了也就记住了。

其实除了 iowait,软中断(softirq)CPU使用率升高也是最常见的一种性能问题。接下来的两节课,我们就来学习软中断的内容,我还会以最常见的反向代理服务器 Nginx 的案例,带你分析这种情况。

从“取外卖”看中断

说到中断,我在前面关于“上下文切换”的文章,简单说过中断的含义,先来回顾一下。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。

你可能要问了,为什么要有中断呢?我可以举个生活中的例子,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。

那么还是以取外卖为例。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)。

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

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。

除了取外卖,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。你可以自己先想一下,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。

而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。

所以,这两个阶段你也可以这样理解:

实际上,上半部会打断CPU正在执行的任务,然后立即执行中断处理程序。而下半部以内核线程的方式执行,并且每个 CPU 都对应一个软中断内核线程,名字为 “ksoftirqd/CPU编号”,比如说, 0 号CPU对应的软中断内核线程的名字就是 ksoftirqd/0。

不过要注意的是,软中断不只包括了刚刚所讲的硬件设备中断处理程序的下半部,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。

那要怎么知道你的系统里有哪些软中断呢?

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:

运行下面的命令,查看 /proc/softirqs 文件的内容,你就可以看到各种类型软中断在不同 CPU 上的累积运行次数:

$ 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。

第一,要注意软中断的类型,也就是这个界面中第一列的内容。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。

第二,要注意同一种软中断在不同 CPU 上的分布情况,也就是同一行的内容。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,比如执行下面的指令:

$ 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,一般都是内核线程。

小结

Linux 中的中断处理程序分为上半部和下半部:

Linux 中的软中断包括网络收发、定时、调度、RCU锁等各种类型,可以通过查看 /proc/softirqs 来观察软中断的运行情况。

思考

最后,我想请你一起聊聊,你是怎么理解软中断的?你有没有碰到过因为软中断出现的性能问题?你又是怎么分析它们的瓶颈的呢?你可以结合今天的内容,总结自己的思路,写下自己的问题。

欢迎在留言区和我讨论,也欢迎把这篇文章分享给你的同事、朋友。我们一起在实战中演练,在交流中进步。