什么是软中断
部分内容来源：小林Coding
什么是中断
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
中断-例子
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，没有被某团大数据杀熟。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
中断请求存在的问题
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
也就是说中断有可能会丢失，所以中断处理程序要短且快
存在的问题：
- 中断请求会打断其他进程的运行
- 中断请求会导致【临时关闭中断】，可能会导致其他设备的中断请求丢失
中断请求的问题-例子
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
中断的两个阶段
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
那 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
这两个阶段分别是「上半部分和下半部分」
- 上半部分：用来快速处理中断，一般会暂时关闭中断请求，主要负责处理跟硬件紧密相关或者时间敏感的事情。
- 下半部分：用来延迟处理上半部未完成的工作，一般以「内核线程」的方式运行。
例子-网卡接收网络包
网卡收到网络包后，通过 DMA 方式将接收到的数据写入内存
接着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处理该事件
这个事件的处理也是会分成上半部和下半部
上部分：上部分要做的事情很少，会先禁止网卡中断，避免频繁硬中断，而降低内核的工作效率。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
下部分：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
中断处理程序的上部分和下半部可以理解为：
- 上半部直接处理硬件请求，也就是硬中断，主要是负责耗时短的工作，特点是快速执行
- 下半部是由内核触发，也就说软中断，主要是负责上半部未完成的工作，通常都是耗时比较长的工作，特点是延迟执行；
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
系统中有哪些软中断
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
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
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 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
ps aux ｜ grep softirq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：
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，名字在中括号里的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
如何定位软中断导致的CPU使用率过高问题？
可以用 top 命令来查看当前系统的软中断情况
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查看每个软中断类型的中断次数的变化速率
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，接下来就可以使用
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
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
软中断-快速复习
什么是中断：
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
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
中断存在的问题：
- 中断请求会打断其他进程的运行
- 中断请求会导致【临时关闭中断】，可能会导致其他设备的中断请求丢失
什么是【临时中断关闭】：
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
中断的两个阶段：
Linux 为了解决【中断处理程序执行过长】和【中断丢失】，将中断过程分成了两个阶段
【上半部分】：用来快速处理中断，一般会暂时关闭中断请求，主要负责处理跟硬件紧密相关或者时间敏感的事情。
【下半部分】：用来延迟处理上半部未完成的工作，一般以「内核线程」的方式运行
中断处理程序的上部分和下半部可以理解为：
- 上半部直接处理硬件请求，也就是硬中断，主要是负责耗时短的工作，特点是快速执行
- 下半部是由内核触发，也就说软中断，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，主要是负责上半部未完成的工作，通常都是耗时比较长的工作，特点是延迟执行；
人话：
【硬中断】：解决【中断处理程序执行过长】。CPU 会立即暂停当前任务，优先执行硬中断处理程序，硬中断的任务都是耗时短的
【软中断】：解决【中断丢失】。处理硬中断中 【来不及做的耗时任务】硬中断处理完毕后，CPU 恢复正常调度时，内核会检查是否有未处理的软中断，然后在合适的时机（如中断上下文结束后、内核线程调度时）执行
硬中断和软中断的区别：
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
系统中的软中断：
通过 /proc/softirqs 的内容来知晓「软中断」的运行情况
可以查看
- 软中断的类型
- 同一种类型的软中断在不同 CPU 的分布情况
- 中断次数的变化速率
如何定位软中断导致的CPU使用率过高问题：
- 查看每个软中断类型的中断次数的变化速率
watch -d cat /proc/softirqs- 查看网卡的网络包接收速率情况，通过 tcpdump 抓包分析这些包的来源
sar -n DEV