<返回更多

什么是软中断?

2022-03-15  掘金  码农出击HK
加入收藏
面试官:什么是软中断?

 

中断是什么?

先来看看什么是中断?在计算机中,中断是系统用来响应硬件设备请求的一种机制,操作系统收到硬件的中断请求,会打断正在执行的进程,然后调用内核中的中断处理程序来响应请求。

这样的解释可能过于学术了,容易云里雾里,我就举个生活中取外卖的例子。

小林中午搬完砖,肚子饿了,点了份白切鸡外卖,这次我带闪了,没有被某团大数据大熟。虽然平台上会显示配送进度,但是我也不能一直傻傻地盯着呀,时间很宝贵,当然得去干别的事情,等外卖到了配送员会通过「电话」通知我,电话响了,我就会停下手中地事情,去拿外卖。

这里的打电话,其实就是对应计算机里的中断,没接到电话的时候,我可以做其他的事情,只有接到了电话,也就是发生中断,我才会停下当前的事情,去进行另一个事情,也就是拿外卖。

从这个例子,我们可以知道,中断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。

操作系统收到了中断请求,会打断其他进程的运行,所以中断请求的响应程序,也就是中断处理程序,要尽可能快的执行完,这样可以减少对正常进程运行调度地影响。

而且,中断处理程序在响应中断时,可能还会「临时关闭中断」,这意味着,如果当前中断处理程序没有执行完之前,系统中其他的中断请求都无法被响应,也就说中断有可能会丢失,所以中断处理程序要短且快。

还是回到外卖的例子,小林到了晚上又点起了外卖,这次为了犒劳自己,共点了两份外卖,一份小龙虾和一份奶茶,并且是由不同地配送员来配送,那么问题来了,当第一份外卖送到时,配送员给我打了长长的电话,说了一些杂七杂八的事情,比如给个好评等等,但如果这时另一位配送员也想给我打电话。

很明显,这时第二位配送员因为我在通话中(相当于关闭了中断响应),自然就无法打通我的电话,他可能尝试了几次后就走掉了(相当于丢失了一次中断)。

什么是软中断?

前面我们也提到了,中断请求的处理程序应该要短且快,这样才能减少对正常进程运行调度地影响,而且中断处理程序可能会暂时关闭中断,这时如果中断处理程序执行时间过长,可能在还未执行完中断处理程序前,会丢失当前其他设备的中断请求。

linux 系统为了解决中断处理程序执行过长和中断丢失的问题,将中断过程分成了两个阶段,分别是「上半部和下半部分」

前面的外卖例子,由于第一个配送员长时间跟我通话,则导致第二位配送员无法拨通我的电话,其实当我接到第一位配送员的电话,可以告诉配送员说我现在下楼,剩下的事情,等我们见面再说(上半部),然后就可以挂断电话,到楼下后,在拿外卖,以及跟配送员说其他的事情(下半部)。

这样,第一位配送员就不会占用我手机太多时间,当第二位配送员正好过来时,会有很大几率拨通我的电话。

再举一个计算机中的例子,常见的网卡接收网络包的例子。

网卡收到网络包后,会通过硬件中断通知内核有新的数据到了,于是内核就会调用对应的中断处理程序来响应该事件,这个事件的处理也是会分成上半部和下半部。

上部分要做到快速处理,所以只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,比如把状态更新为表示数据已经读到内存中的状态值。

接着,内核会触发一个软中断,把一些处理比较耗时且复杂的事情,交给「软中断处理程序」去做,也就是中断的下半部,其主要是需要从内存中找到网络数据,再按照网络协议栈,对网络数据进行逐层解析和处理,最后把数据送给应用程序。

所以,中断处理程序的上部分和下半部可以理解为:

还有一个区别,硬中断(上半部)是会打断 CPU 正在执行的任务,然后立即执行中断处理程序,而软中断(下半部)是以内核线程的方式执行,并且每一个 CPU 都对应一个软中断内核线程,名字通常为「ksoftirqd/CPU 编号」,比如 0 号 CPU 对应的软中断内核线程的名字是 ksoftirqd/0

不过,软中断不只是包括硬件设备中断处理程序的下半部,一些内核自定义事件也属于软中断,比如内核调度等、RCU 锁(内核里常用的一种锁)等。

系统里有哪些软中断?

在 Linux 系统里,我们可以通过查看 /proc/softirqs 的 内容来知晓「软中断」的运行情况,以及 /proc/interrupts 的 内容来知晓「硬中断」的运行情况。

接下来,就来简单的解析下 /proc/softirqs 文件的内容,在我服务器上查看到的文件内容如下:

面试官:什么是软中断?

 

你可以看到,每一个 CPU 都有自己对应的不同类型软中断的累计运行次数,有 3 点需要注意下。

第一点,要注意第一列的内容,它是代表着软中断的类型,在我的系统里,软中断包括了 10 个类型,分别对应不同的工作类型,比如 NET_RX 表示网络接收中断,NET_TX 表示网络发送中断、TIMER 表示定时中断、RCU 表示 RCU 锁中断、SCHED 表示内核调度中断。

第二点,要注意同一种类型的软中断在不同 CPU 的分布情况,正常情况下,同一种中断在不同 CPU 上的累计次数相差不多,比如我的系统里,NET_RX 在 CPU0 、CPU1、CPU2、CPU3 上的中断次数基本是同一个数量级,相差不多。

第三点,这些数值是系统运行以来的累计中断次数,数值的大小没什么参考意义,但是系统的中断次数的变化速率才是我们要关注的,我们可以使用 watch -d cat /proc/softirqs 命令查看中断次数的变化速率。

前面提到过,软中断是以内核线程的方式执行的,我们可以用 ps 命令可以查看到,下面这个就是在我的服务器上查到软中断内核线程的结果:

面试官:什么是软中断?

 

可以发现,内核线程的名字外面都有有中括号,这说明 ps 无法获取它们的命令行参数,所以一般来说,名字在中括号里到,都可以认为是内核线程。

而且,你可以看到有 4 个 ksoftirqd 内核线程,这是因为我这台服务器的 CPU 是 4 核心的,每个 CPU 核心都对应着一个内核线程。

如何定位软中断 CPU 使用率过高的问题?

要想知道当前的系统的软中断情况,我们可以使用 top 命令查看,下面是一台服务器上的 top 的数据:

面试官:什么是软中断?

 

上图中的黄色部分 si,就是 CPU 在软中断上的使用率,而且可以发现,每个 CPU 使用率都不高,两个 CPU 的使用率虽然只有 3% 和 4% 左右,但是都是用在软中断上了。

另外,也可以看到 CPU 使用率最高的进程也是软中断 ksoftirqd,因此可以认为此时系统的开销主要来源于软中断。

如果要知道是哪种软中断类型导致的,我们可以使用 watch -d cat /proc/softirqs 命令查看每个软中断类型的中断次数的变化速率。

面试官:什么是软中断?

 

一般对于网络 I/O 比较高的 Web 服务器,NET_RX 网络接收中断的变化速率相比其他中断类型快很多。

如果发现 NET_RX 网络接收中断次数的变化速率过快,接下里就可以使用 sar -n DEV 查看网卡的网络包接收速率情况,然后分析是哪个网卡有大量的网络包进来。

面试官:什么是软中断?

 

接着,在通过 tcpdump 抓包,分析这些包的来源,如果是非法的地址,可以考虑加防火墙,如果是正常流量,则要考虑硬件升级等。

总结

为了避免由于中断处理程序执行时间过长,而影响正常进程的调度,Linux 将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 来观察软中断的累计中断次数情况,如果要实时查看中断次数的变化率,可以使用 watch -d cat /proc/softirqs 命令。

每一个 CPU 都有各自的软中断内核线程,我们还可以用 ps 命令来查看内核线程,一般名字在中括号里面到,都认为是内核线程。

如果在 top 命令发现,CPU 在软中断上的使用率比较高,而且 CPU 使用率最高的进程也是软中断 ksoftirqd 的时候,这种一般可以认为系统的开销被软中断占据了。

这时我们就可以分析是哪种软中断类型导致的,一般来说都是因为网络接收软中断导致的,如果是的话,可以用 sar 命令查看是哪个网卡的有大量的网络包接收,再用 tcpdump 抓网络包,做进一步分析该网络包的源头是不是非法地址,如果是就需要考虑防火墙增加规则,如果不是,则考虑硬件升级等。

 


作者:码农出击HK
链接:
https://juejin.cn/post/7074098390795026468

声明:本站部分内容来自互联网,如有版权侵犯或其他问题请与我们联系,我们将立即删除或处理。
▍相关推荐
更多资讯 >>>