linux 2.6中斷下半部機(jī)制分析

1、摘要本文主要從使用者的角度對(duì)Linux2.6內(nèi)核的下半部機(jī)制softirq、tasklet和wkqueue進(jìn)行分析，對(duì)于這三種機(jī)制在內(nèi)核中的具體實(shí)現(xiàn)并未進(jìn)行深入分析，倘若讀者有興趣了解，可以直接閱讀Linux內(nèi)核源代碼的相關(guān)部分。1概述概述中斷服務(wù)程序往往都需要在CPU關(guān)中斷的情況下運(yùn)行，以避免中斷嵌套而使控制復(fù)雜化，但是關(guān)中斷的時(shí)間又不能太長，否則會(huì)造成中斷信號(hào)的丟失。為此，在Linux中，將中斷處理程序分為兩部分，即上半部和下半部。

2、上半部通常用于執(zhí)行跟硬件關(guān)系密切的關(guān)鍵程序，這部分執(zhí)行時(shí)間非常短，而且是在關(guān)中斷的環(huán)境下運(yùn)行的。對(duì)時(shí)間要求不是很嚴(yán)格，而且通常比較耗時(shí)的一些操作，則交給下半部來執(zhí)行，這部分代碼是在開中斷中執(zhí)行的。上半部處理硬件相關(guān)，稱為硬件中斷，這通常需要立即執(zhí)行。下半部則可以延遲一定時(shí)間，在內(nèi)核合適的時(shí)間段來執(zhí)行程序，這就是我們這里要討論的軟中斷。本文以目前最新版本的Linux內(nèi)核2.6.22為例，來討論Linux的中斷下半部機(jī)制。在2.6版本的內(nèi)核

3、中，下半部機(jī)制主要由softirq、tasklet和wkqueue來實(shí)現(xiàn)，下面著重對(duì)這3種機(jī)制進(jìn)行分析。2Linux2.6內(nèi)核中斷下半部機(jī)制內(nèi)核中斷下半部機(jī)制老版本的Linux內(nèi)核中，下半部是以一種叫做BottomHalf（簡稱為BH）的機(jī)制來實(shí)現(xiàn)的，最初它是借助中斷向量來實(shí)現(xiàn)的，在系統(tǒng)中用一組（共32個(gè)）函數(shù)指針，分別表示32個(gè)中斷向量，這種實(shí)現(xiàn)方式目前在2.4版本的內(nèi)核中還可以看到它的身影。但是目前在2.6版本的內(nèi)核中已經(jīng)看不到它了

4、?，F(xiàn)在的Linux內(nèi)核，一般以一種稱為softirq的軟中斷機(jī)制來實(shí)現(xiàn)下半部。2.1softirq機(jī)制機(jī)制原來的BH機(jī)制有兩個(gè)明顯的缺陷：一是系統(tǒng)中一次只能有一個(gè)CPU可以執(zhí)行BH代碼，二是BH函數(shù)不允許嵌套。這在單處理器系統(tǒng)中或許沒關(guān)系，但在SMP系統(tǒng)中卻是致命的缺陷。但是軟中斷機(jī)制就不一樣了。Linux的softirq機(jī)制與SMP是緊密相連的，整個(gè)softirq機(jī)制的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)始終貫穿著一個(gè)思想：“誰觸發(fā)，誰執(zhí)行”（Whomarks

5、whoruns），也就是說，每個(gè)CPU都單獨(dú)負(fù)責(zé)它所觸發(fā)的軟中斷，互不干擾。這就有效地利用了SMP系統(tǒng)的性能和特點(diǎn)，極大地提高了處理效率。Linux在includelinuxinterrupt.h中定義了一個(gè)softirq_action結(jié)構(gòu)來描述一個(gè)softirq請(qǐng)求，如下所示：structsoftirq_actionvoid(action)(structsoftirq_action)voiddata其中，函數(shù)指針action指向軟中斷

6、請(qǐng)求的服務(wù)函數(shù)，而data則指向由服務(wù)函數(shù)自行解釋的參數(shù)數(shù)據(jù)?；谏鲜鼋Y(jié)構(gòu)，系統(tǒng)在kernelsoftirq.c中定義了一個(gè)全局的softirq軟中斷向量表softirq_vec[32]，對(duì)應(yīng)32個(gè)softirq_action結(jié)構(gòu)表示的軟中斷描述符。但實(shí)際上，Linux并沒有使用到32個(gè)軟中斷向量，內(nèi)核預(yù)定義了一些軟中斷向量的含義供我們使用：理器體系結(jié)構(gòu)。比如對(duì)于PowerPC處理器，這個(gè)結(jié)構(gòu)在includeasmpowerpchard

7、irq.h中定義如下：typedefstructunsignedint__softirq_pendingset_bitisusedonthisunsignedint__last_jiffy_stamp____cacheline_alignedirq_cpustat_texternirq_cpustat_tirq_stat[]definedinasmhardirq.h#define__IRQ_STAT(cpumember)(irq_sta

8、t[cpu].member)其中，__softirq_pending成員使用bitmap的方式來指示相應(yīng)的softirq是否激活（即是否處于pending狀態(tài)）。raise_softirq的主要工作就是在__softirq_pending中設(shè)置softirq的相應(yīng)位，它的實(shí)現(xiàn)如下：voidfastcallraise_softirq(unsignedintnr)unsignedlongflagslocal_irq_save(flags)r

9、aise_softirq_irqoff(nr)local_irq_reste(flags)inlinefastcallvoidraise_softirq_irqoff(unsignedintnr)__raise_softirq_irqoff(nr)if(!in_interrupt())wakeup_softirqd()喚醒內(nèi)核線程ksoftirqd#define__raise_softirq_irqoff(nr)do_softirq_p

10、ending(1UL(nr))while(0)#define_softirq_pending(x)(local_softirq_pending()|=(x))#definelocal_softirq_pending()__IRQ_STAT(smp_process_id()__softirq_pending)這里有一個(gè)宏函數(shù)local_softirq_pending()，其實(shí)就是用于返回當(dāng)前cpu的相應(yīng)irq_cpustat_t結(jié)構(gòu)irq

11、_stat[cpu]的__softirq_pending成員值。因此__raise_softirq_irqoff(nr)的作用就是把要觸發(fā)的softirq在__softirq_pending中的相應(yīng)位置1，在do_softirq()中則通過檢查irq_stat[cpu]中相應(yīng)的pending位是否設(shè)置來執(zhí)行該softirq。2.2tasklet機(jī)制機(jī)制tasklet實(shí)際上是一種較為特殊的軟中斷，軟中斷向量HI_SOFTIRQ和TASKL

12、ET_SOFTIRQ均是用tasklet機(jī)制來實(shí)現(xiàn)的。tasklet一詞原意為“小片任務(wù)”，在這里指一小段可執(zhí)行的代碼。從某種程度上來講，tasklet機(jī)制是Linux內(nèi)核對(duì)BH機(jī)制的一種擴(kuò)展，但是它和BH不同，不同的tasklet代碼在同一時(shí)刻可以在多個(gè)CPU上并行執(zhí)行。同時(shí)，它又和一般的softirq軟中斷不一樣，一段tasklet代碼在同一時(shí)刻只能在一個(gè)CPU上運(yùn)行，而softirq中注冊(cè)的軟中斷服務(wù)函數(shù)（即softirq_act