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# 09 | 基础篇：怎么理解Linux软中断？
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你好，我是倪朋飞。
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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。
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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。
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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。
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## 从“取外卖”看中断
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说到中断，我在前面[关于“上下文切换”的文章](https://time.geekbang.org/column/article/69859)，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。
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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。
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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。
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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。
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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。
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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**。
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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。
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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。
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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。
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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。
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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）。
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## 软中断
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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**：
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* **上半部用来快速处理中断**，它在中断禁止模式下运行，主要处理跟硬件紧密相关的或时间敏感的工作。
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* **下半部用来延迟处理上半部未完成的工作，通常以内核线程的方式运行**。
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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。
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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。
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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。
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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？
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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。
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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。
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所以，这两个阶段你也可以这样理解：
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* 上半部直接处理硬件请求，也就是我们常说的硬中断，特点是快速执行；
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* 而下半部则是由内核触发，也就是我们常说的软中断，特点是延迟执行。
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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。
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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。
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那要怎么知道你的系统里有哪些软中断呢？
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## 查看软中断和内核线程
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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：
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* /proc/softirqs 提供了软中断的运行情况；
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* /proc/interrupts 提供了硬中断的运行情况。
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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：
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```
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$ cat /proc/softirqs
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CPU0 CPU1
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HI: 0 0
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TIMER: 811613 1972736
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NET_TX: 49 7
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NET_RX: 1136736 1506885
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BLOCK: 0 0
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IRQ_POLL: 0 0
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TASKLET: 304787 3691
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SCHED: 689718 1897539
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HRTIMER: 0 0
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RCU: 1330771 1354737
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```
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在查看 /proc/softirqs 文件内容时，你要特别注意以下这两点。
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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。
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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。
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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。
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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。
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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？
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其实用 ps 命令就可以做到，比如执行下面的指令：
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```
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$ ps aux | grep softirq
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root 7 0.0 0.0 0 0 ? S Oct10 0:01 [ksoftirqd/0]
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root 16 0.0 0.0 0 0 ? S Oct10 0:01 [ksoftirqd/1]
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```
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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。
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## 小结
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Linux 中的中断处理程序分为上半部和下半部：
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* 上半部对应硬件中断，用来快速处理中断。
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* 下半部对应软中断，用来异步处理上半部未完成的工作。
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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。
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## 思考
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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。
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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。
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