什么软中断
一、引言
本文参考 小林coding 的《图解操作系统》，也是我十分喜欢的一个公众号博主，为他打 call
老读者知道我之前再写 Kafka 的博文，为什么突然开始写操作系统的呢？
原因在于：当我看到 Kafka 服务端的一些 IO 操作时，我发现我看不懂了，了解之后发现这里 Netty 的概念。
当我尝试了解 IO 时，我发现一些内存、磁盘的交换，搞的我焦头烂额，于是，想静下心来从头开始。
当我把 小林coding 的 《图解操作系统》看完之后，我发现对操作系统的理解更上一层楼。
用一段话，作为今天的开场白：
读书的根本目的，未必是解决现实问题，它更像一场心灵的抚慰。
一个喜欢读书的人，可能不会记得自己读过哪些书。
但是那些看过的故事、收获的感悟、浸染过的气质，就像一颗种子，会在你的身体里慢慢发芽长大，不断提升你的认知，打开你的视野。
一、中断是什么
在计算机里面，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，会打断正在执行的线程，然后调用内核的中断处理程序来相应请求。
简单举个外卖的例子：当我点了一份炸鸡外卖后，我就去打游戏去了。等到外卖到了，外卖员给我打电话，我再停止打游戏去拿外卖。
这里的打电话，对应计算机的中断，当接到电话时，会停止当前的事情去做另一件。
从上述例子我们可以看到：
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。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用的影响。
这里还存在一个临时关闭中断 的问题。如果当前的中断处理程序没有执行完之前，系统中的其他中断请求都没法被响应，也就是说中断有可能会丢失，所以中断处理程序要短且快。
二、什么是软中断
前面我们提到了中断处理要短且快，这样才能减少对正常进程运行调度的影响，而且如果当前的中断时间过长，还会产生 临时关闭中断 的问题。
我们的 Linux 系统 为了解决中断处理程序执行过长或中断丢失的问题，将中断过程分为了两个阶段，分别为【上半部分和下半部分】
- 上半部分用来处理中断：一般会暂时关闭中断请求，主要负责处理跟硬件紧密相关的事情
- 下半部分用来延迟处理上半部分未完成的工作：一般以 内核线程 的方式运行
举个例子：网卡接受网络包的例子
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事件，这个事件的处理也分为上半部分和下半部分。
上部分要做到快速处理，只需要将网卡的数据读到内存中，然后更新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，主要是从内存中找到网络数据，再按照网络协议栈，对网络层进行逐层解析和处理，最终把数据送给应用程序。
所以，中断处理程序的上半部分和下半部分可以理解为：
- 上半部分处理硬件请求，也就是硬中断，主要是负责执行耗时短的任务，特点是快速执行
- 下半部分由内核触发，也就是软中断，通常是耗时长的任务，特点是延迟执行
硬中断会打断CPU正在执行的任务，然后立即执行中断程序，而软中断以内核的方式执行，并且每一个CPU都有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
三、系统中有哪些软中断
在 Linux 系统中，可以通过查看 /proc/softirqs 的内容来知晓 软中断 的运行情况。使用/proc/interrupts 的内容来知晓 硬中断 的运行情况。
比如，我使用 /proc/softirqs 查看软中断：
每一种 CPU 都有自己对应不同类型软中断的 累积运行次数
软中断的类型
- NET_RX：网络接受中断
- NET_TX：网络发送中断
- TIMER：定时中断
- RCU：RCU锁中断
- SCHED：内核调度中断
每一种中断在各个CPU的累积次数成均匀分布
系统的中断次数变化速率：使用 watch -d cat /proc/softirqs 查看中断次数的变化速率
我们使用 ps 命令查看软中断在各 CPU 里面的内核线程
四、如何定位软中断 CPU 使用率过高的问题
首先使用 top 查看：
上面黄色部分，也就是 si，就是 CPU 在软中断上的使用率，每个 CPU 的使用率都不高。
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。
五、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：
- 上半部，对应硬中断，由硬件触发中断，用来快速处理中断；
- 下半部，对应软中断，由内核触发中断，用来异步处理上半部未完成的工作；
- 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。
