Linux 2.4.x內(nèi)核軟中斷機制

本文從Linux內(nèi)核幾種軟中斷機制相互關(guān)系和發(fā)展沿革入手，分析了這些機制的實現(xiàn)方法，給出了它們的基本用法。

軟中斷概況

軟中斷是利用硬件中斷的概念，用軟件方式進行模擬，實現(xiàn)宏觀上的異步執(zhí)行效果。很多情況下，軟中斷和信號有些類似，同時，軟中斷又是和硬中斷相對應(yīng)的，硬中斷是外部設(shè)備對CPU的中斷，軟中斷通常是硬中斷服務(wù)程序?qū)?nèi)核的中斷，信號則是由內(nèi)核（或其他進程）對某個進程的中斷（《Linux內(nèi)核源代碼情景分析》第三章）。軟中斷的一種典型應(yīng)用就是所謂的下半部（bottom half），它的得名來自于將硬件中斷處理分離成上半部和下半部兩個階段的機制：上半部在屏蔽中斷的上下文中運行，用于完成關(guān)鍵性的處理動作；而下半部則相對來說并不是非常緊急的，通常還是比較耗時的，因此由系統(tǒng)自行安排運行時機，不在中斷服務(wù)上下文中執(zhí)行。bottom half的應(yīng)用也是激勵內(nèi)核發(fā)展出目前的軟中斷機制的原因，因此，我們先從bottom half的實現(xiàn)開始。

bottom half

在Linux內(nèi)核中，bottom half通常用bh表示，最初用于在特權(quán)級較低的上下文中完成中斷服務(wù)的非關(guān)鍵耗時動作，現(xiàn)在也用于一切可在低優(yōu)先級的上下文中執(zhí)行的異步動作。最早的bottom half實現(xiàn)是借用中斷向量表的方式，在目前的2.4.x內(nèi)核中仍然可以看到：

static void (*bh_base[32])(void);	         /* kernel/softirq.c */

系統(tǒng)如此定義了一個函數(shù)指針數(shù)組，共有32個函數(shù)指針，采用數(shù)組索引來訪問，與此相對應(yīng)的是一套函數(shù)：

void init_bh(int nr,void (*routine)(void));

為第nr個函數(shù)指針賦值為routine。

void remove_bh(int nr);

動作與init_bh()相反，卸下nr函數(shù)指針。

void mark_bh(int nr);

標志第nr個bottom half可執(zhí)行了。

由于歷史的原因，bh_base各個函數(shù)指針位置大多有了預(yù)定義的意義，在v2.4.2內(nèi)核里有這樣一個枚舉：

enum {TIMER_BH = 0,TQUEUE_BH,DIGI_BH,SERIAL_BH,RISCOM8_BH,SPECIALIX_BH,AURORA_BH,ESP_BH,SCSI_BH,IMMEDIATE_BH,CYCLADES_BH,CM206_BH,JS_BH,MACSERIAL_BH,ISICOM_BH};

并約定某個驅(qū)動使用某個bottom half位置，比如串口中斷就約定使用SERIAL_BH，現(xiàn)在我們用得多的主要是TIMER_BH、TQUEUE_BH和IMMEDIATE_BH，但語義已經(jīng)很不一樣了，因為整個bottom half的使用方式已經(jīng)很不一樣了，這三個函數(shù)僅僅是在接口上保持了向下兼容，在實現(xiàn)上一直都在隨著內(nèi)核的軟中斷機制在變。現(xiàn)在，在2.4.x內(nèi)核里，它用的是tasklet機制。

task queue

在介紹tasklet之前，有必要先看看出現(xiàn)得更早一些的task queue機制。顯而易見，原始的bottom half機制有幾個很大的局限，最重要的一個就是個數(shù)限制在32個以內(nèi)，隨著系統(tǒng)硬件越來越多，軟中斷的應(yīng)用范圍越來越大，這個數(shù)目顯然是不夠用的，而且，每個bottom half上只能掛接一個函數(shù)，也是不夠用的。因此，在2.0.x內(nèi)核里，已經(jīng)在用task queue（任務(wù)隊列）的辦法對其進行了擴充，這里使用的是2.4.2中的實現(xiàn)。

task queue是在系統(tǒng)隊列數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上建成的，以下即為task queue的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，定義在include/linux/tqueue.h中：

struct tq_struct {struct list_head list;          /* 鏈表結(jié)構(gòu) */unsigned long sync;             /* 初識為0，入隊時原子的置1，以避免重復(fù)入隊 */void (*routine)(void *);        /* 激活時調(diào)用的函數(shù) */void *data;                     /* routine(data) */};typedef struct list_head task_queue;

在使用時，按照下列步驟進行：

1. DECLARE_TASK_QUEUE(my_tqueue); /* 定義一個my_tqueue，實際上就是一個以tq_struct為元素的list_head隊列 */
2. 說明并定義一個tq_struct變量my_task;
3. queue_task(my_task,my_tqueue); /* 將my_task注冊到my_tqueue中 */
4. run_task_queue(my_tqueue); /* 在適當?shù)臅r候手工啟動my_tqueue */

大多數(shù)情況下，都沒有必要調(diào)用DECLARE_TASK_QUEUE()定義自己的task queue，因為系統(tǒng)已經(jīng)預(yù)定義了三個task queue：

1. tq_timer，由時鐘中斷服務(wù)程序啟動；
2. tq_immediate，在中斷返回前以及schedule()函數(shù)中啟動；
3. tq_disk，內(nèi)存管理模塊內(nèi)部使用。

一般使用tq_immediate就可以完成大多數(shù)異步任務(wù)了。

run_task_queue(task_queue *list)函數(shù)可用于啟動list中掛接的所有task，可以手動調(diào)用，也可以掛接在上面提到的bottom half向量表中啟動。以run_task_queue()作為bh_base[nr]的函數(shù)指針，實際上就是擴充了每個bottom half的函數(shù)句柄數(shù)，而對于系統(tǒng)預(yù)定義的tq_timer和tq_immediate的確是分別掛接在TQUEUE_BH和IMMEDIATE_BH上（注意，TIMER_BH沒有如此使用，但TQUEUE_BH也是在do_timer()中啟動的），從而可以用于擴充bottom half的個數(shù)。此時，不需要手工調(diào)用run_task_queue()（這原本就不合適），而只需調(diào)用mark_bh(IMMEDIATE_BH)，讓bottom half機制在合適的時候調(diào)度它。

tasklet

由上看出，task queue以bottom half為基礎(chǔ)；而bottom half在v2.4.x中則以新引入的tasklet為實現(xiàn)基礎(chǔ)。

之所以引入tasklet，最主要的考慮是為了更好的支持SMP，提高SMP多個CPU的利用率：不同的tasklet可以同時運行于不同的CPU上。在它的源碼注釋中還說明了幾點特性，歸結(jié)為一點，就是：同一個tasklet只會在一個CPU上運行。

struct tasklet_struct{struct tasklet_struct *next;	/* 隊列指針 */unsigned long state;		/* tasklet的狀態(tài)，按位操作，目前定義了兩個位的含義：TASKLET_STATE_SCHED（第0位）或TASKLET_STATE_RUN（第1位） */atomic_t count;			/* 引用計數(shù)，通常用1表示disabled */void (*func)(unsigned long);	/* 函數(shù)指針 */unsigned long data;		/* func(data) */};

把上面的結(jié)構(gòu)與tq_struct比較，可以看出，tasklet擴充了一點功能，主要是state屬性，用于CPU間的同步。

tasklet的使用相當簡單：

1. 定義一個處理函數(shù)void my_tasklet_func(unsigned long);
2. DECLARE_TASKLET(my_tasklet,my_tasklet_func,data); /* 定義一個tasklet結(jié)構(gòu)my_tasklet，與my_tasklet_func(data)函數(shù)相關(guān)聯(lián)，相當于DECLARE_TASK_QUEUE() */
3. tasklet_schedule(my_tasklet); /* 登記my_tasklet，允許系統(tǒng)在適當?shù)臅r候進行調(diào)度運行，相當于queue_task(my_task,tq_immediate)和mark_bh(IMMEDIATE_BH) */

可見tasklet的使用比task queue更簡單，而且，tasklet還能更好的支持SMP結(jié)構(gòu)，因此，在新的2.4.x內(nèi)核中，tasklet是建議的異步任務(wù)執(zhí)行機制。除了以上提到的使用步驟外，tasklet機制還提供了另外一些調(diào)用接口：

DECLARE_TASKLET_DISABLED(name,function,data); /* 和DECLARE_TASKLET()類似，不過即使被調(diào)度到也不會馬上運行，必須等到enable */
tasklet_enable(struct tasklet_struct *); /* tasklet使能 */
tasklet_disble(struct tasklet_struct *); /* 禁用tasklet，只要tasklet還沒運行，則會推遲到它被enable */
tasklet_init(struct tasklet_struct *,void (*func)(unsigned long),unsigned long); /* 類似DECLARE_TASKLET() */
tasklet_kill(struct tasklet_struct *); /* 清除指定tasklet的可調(diào)度位，即不允許調(diào)度該tasklet，但不做tasklet本身的清除 */

前面提到過，在2.4.x內(nèi)核中，bottom half是利用tasklet機制實現(xiàn)的，它表現(xiàn)在所有的bottom half動作都以一類tasklet的形式運行，這類tasklet與我們一般使用的tasklet不同。

在2.4.x中，系統(tǒng)定義了兩個tasklet隊列的向量表，每個向量對應(yīng)一個CPU（向量表大小為系統(tǒng)能支持的CPU最大個數(shù)，SMP方式下目前2.4.2為32）組織成一個tasklet鏈表：

struct tasklet_head tasklet_vec[NR_CPUS] __cacheline_aligned;struct tasklet_head tasklet_hi_vec[NR_CPUS] __cacheline_aligned;

另外，對于32個bottom half，系統(tǒng)也定義了對應(yīng)的32個tasklet結(jié)構(gòu)：

struct tasklet_struct bh_task_vec[32];

在軟中斷子系統(tǒng)初始化時，這組tasklet的動作被初始化為bh_action(nr)，而bh_action(nr)就會去調(diào)用bh_base[nr]的函數(shù)指針，從而與bottom half的語義掛鉤。mark_bh(nr)被實現(xiàn)為調(diào)用tasklet_hi_schedule(bh_tasklet_vec+nr)，在這個函數(shù)中，bh_tasklet_vec[nr]將被掛接在tasklet_hi_vec[cpu]鏈上（其中cpu為當前cpu編號，也就是說哪個cpu提出了bottom half的請求，則在哪個cpu上執(zhí)行該請求），然后激發(fā)HI_SOFTIRQ軟中斷信號，從而在HI_SOFTIRQ的中斷響應(yīng)中啟動運行。

tasklet_schedule(my_tasklet)將把my_tasklet掛接到tasklet_vec[cpu]上，激發(fā)TASKLET_SOFTIRQ，在TASKLET_SOFTIRQ的中斷響應(yīng)中執(zhí)行。HI_SOFTIRQ和TASKLET_SOFTIRQ是softirq子系統(tǒng)中的術(shù)語，下一節(jié)將對它做介紹。

softirq

從前面的討論可以看出，task queue基于bottom half，bottom half基于tasklet，而tasklet則基于softirq。

可以這么說，softirq沿用的是最早的bottom half思想，但在這個bottom half機制之上，已經(jīng)實現(xiàn)了一個更加龐大和復(fù)雜的軟中斷子系統(tǒng)。

struct softirq_action{void    (*action)(struct softirq_action *);void    *data;};static struct softirq_action softirq_vec[32] __cacheline_aligned;

這個softirq_vec[]僅比bh_base[]增加了action()函數(shù)的參數(shù)，在執(zhí)行上，softirq比bottom half的限制更少。

和bottom half類似，系統(tǒng)也預(yù)定義了幾個softirq_vec[]結(jié)構(gòu)的用途，通過以下枚舉表示：

enum{HI_SOFTIRQ=0,NET_TX_SOFTIRQ,NET_RX_SOFTIRQ,TASKLET_SOFTIRQ};

HI_SOFTIRQ被用于實現(xiàn)bottom half，TASKLET_SOFTIRQ用于公共的tasklet使用，NET_TX_SOFTIRQ和NET_RX_SOFTIRQ用于網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)的報文收發(fā)。在軟中斷子系統(tǒng)初始化（softirq_init()）時，調(diào)用了open_softirq()對HI_SOFTIRQ和TASKLET_SOFTIRQ做了初始化：

void open_softirq(int nr, void (*action)(struct softirq_action*), void *data)

open_softirq()會填充softirq_vec[nr]，將action和data設(shè)為傳入的參數(shù)。TASKLET_SOFTIRQ填充為tasklet_action(NULL)，HI_SOFTIRQ填充為tasklet_hi_action(NULL)，在do_softirq()函數(shù)中，這兩個函數(shù)會被調(diào)用，分別啟動tasklet_vec[cpu]和tasklet_hi_vec[cpu]鏈上的tasklet運行。

static inline void __cpu_raise_softirq(int cpu, int nr)

這個函數(shù)用來激活軟中斷，實際上就是第cpu號CPU的第nr號軟中斷的active位置1。在do_softirq()中將判斷這個active位。tasklet_schedule()和tasklet_hi_schedule()都會調(diào)用這個函數(shù)。

do_softirq()有4個執(zhí)行時機，分別是：從系統(tǒng)調(diào)用中返回（arch/i386/kernel/entry.S::ENTRY(ret_from_sys_call)）、從異常中返回（arch/i386/kernel/entry.S::ret_from_exception標號）、調(diào)度程序中（kernel/sched.c::schedule()），以及處理完硬件中斷之后（kernel/irq.c::do_IRQ()）。它將遍歷所有的softirq_vec，依次啟動其中的action()。需要注意的是，軟中斷服務(wù)程序，不允許在硬中斷服務(wù)程序中執(zhí)行，也不允許在軟中斷服務(wù)程序中嵌套執(zhí)行，但允許多個軟中斷服務(wù)程序同時在多個CPU上并發(fā)。

使用示例

softirq作為一種底層機制，很少由內(nèi)核程序員直接使用，因此，這里的使用范例僅對其余幾種軟中斷機制。

1.bottom half

原有的bottom half用法在drivers/char/serial.c中還能看到，包括三個步驟：

init_bh(SERIAL_BH,do_serial_bh);	//在串口設(shè)備的初始化函數(shù)rs_init()中，do_serial_bh()是處理函數(shù)mark_bh(SERIAL_BH);		//在rs_sched_event()中，這個函數(shù)由中斷處理例程調(diào)用remove_bh(SERIAL_BH);	   //在串口設(shè)備的結(jié)束函數(shù)rs_fini()中調(diào)用

盡管邏輯上還是這么三步，但在do_serial_bh()函數(shù)中的動作卻是啟動一個task queue：run_task_queue(tq_serial)，而在rs_sched_event()中，mark_bh()之前調(diào)用的則是queue_task(...,tq_serial)，也就是說串口bottom half已經(jīng)結(jié)合task queue使用了。而那些更通用一些的bottom half，比如IMMEDIATE_BH，更是必須要與task queue結(jié)合使用，而且一般情況下，task queue也很少獨立使用，而是與bottom half結(jié)合，這在下一節(jié)task queue使用示例中可以清楚地看到。

2.task queue

一般來說，程序員很少自己定義task queue，而是結(jié)合bottom half，直接使用系統(tǒng)預(yù)定義的tq_immediate等，尤以tq_immediate使用最頻繁?？匆韵麓a段，節(jié)選自drivers/block/floppy.c：

static struct tq_struct floppy_tq;	//定義一個tq_struct結(jié)構(gòu)變量floppy_tq，不需要作其他初始化動作static void schedule_bh( void (*handler)(void*) ){floppy_tq.routine = (void *)(void *) handler;	//指定floppy_tq的調(diào)用函數(shù)為handler，不需要考慮floppy_tq中的其他域queue_task(floppy_tq, tq_immediate);		//將floppy_tq加入到tq_immediate中mark_bh(IMMEDIATE_BH);				//激活I(lǐng)MMEDIATE_BH，由上所述可知，這實際上將引發(fā)一個軟中斷來執(zhí)行tq_immediate中掛接的各個函數(shù)}

當然，我們還是可以定義并使用自己的task queue，而不用tq_immediate，在drivers/char/serial.c中提到的tq_serial就是串口驅(qū)動自己定義的：

static DECLARE_TASK_QUEUE(tq_serial);

此時就需要自行調(diào)用run_task_queue(tq_serial)來啟動其中的函數(shù)了，因此并不常用。

3.tasklet

這是比task queue和bottom half更加強大的一套軟中斷機制，使用上也相對簡單，見下面代碼段：

1:	void foo_tasklet_action(unsigned long t);2:	unsigned long stop_tasklet;3:	DECLARE_TASKLET(foo_tasklet, foo_tasklet_action, 0);4:	void foo_tasklet_action(unsigned long t)5:	{6:		//do something7:8:		//reschedule9:		if(!stop_tasklet)10:			tasklet_schedule(foo_tasklet);11:	}12:	void foo_init(void)13:	{14:		stop_tasklet=0;15:		tasklet_schedule(foo_tasklet);16:	}17:	void foo_clean(void)18:	{19:		stop_tasklet=1;20:		tasklet_kill(foo_tasklet);21:	}

這個比較完整的代碼段利用一個反復(fù)執(zhí)行的tasklet來完成一定的工作，首先在第3行定義foo_tasklet，與相應(yīng)的動作函數(shù)foo_tasklet_action相關(guān)聯(lián)，并指定foo_tasklet_action()的參數(shù)為0。雖然此處以0為參數(shù)，但也同樣可以指定有意義的其他參數(shù)值，但需要注意的是，這個參數(shù)值在定義的時候必須是有固定值的變量或常數(shù)（如上例），也就是說可以定義一個全局變量，將其地址作為參數(shù)傳給foo_tasklet_action()，例如：

int flags;DECLARE_TASKLET(foo_tasklet,foo_tasklet_action,flags);void foo_tasklet_action(unsigned long t){int flags=*(int *)t;...}

這樣就可以通過改變flags的值將信息帶入tasklet中。直接在DECLARE_TASKLET處填寫flags，gcc會報initializer element is not constant錯。

第9、10行是一種RESCHEDULE的技術(shù)。我們知道，一個tasklet執(zhí)行結(jié)束后，它就從執(zhí)行隊列里刪除了，要想重新讓它轉(zhuǎn)入運行，必須重新調(diào)用tasklet_schedule()，調(diào)用的時機可以是某個事件發(fā)生的時候，也可以是像這樣在tasklet動作中。而這種reschedule技術(shù)將導(dǎo)致tasklet永遠運行，因此在子系統(tǒng)退出時，應(yīng)該有辦法停止tasklet。stop_tasklet變量和tasklet_kill()就是干這個的。