Linux 的进程信号与中断的关系

在深入学习 Linux 时，我们会接触到几个概念： 硬中断、软中断、进程信号，但要搞清楚它们之间的关系并不容易。

本文将尝试通过介绍，客户端数据包如何一步步达到用户进程，阐述 中断 与 进程信号 是如何协作的。

1 什么是进程信号

进程信号 是一种特殊的 进程间通信（IPC，Inter-Process Communication）机制，是一种由操作系统提供的 异步通知机制，用来 在进程运行的任意时刻，将某些重要事件传递给它。

事件可能来自内核，如：

• 父进程在子进程退出时接收 SIGCHLD，以便回收资源；
• 非法内存访问。

也可能来自外部操作，如：

• 用户按下 Ctrl+C，终端会向前台进程组发送 SIGINT，要求它中断执行；
• 系统管理员执行 kill -HUP pid，常用于通知守护进程重新加载配置。

收到信号的进程需要立即做出相应的处理：有些信号会终止进程，有些可以触发用户自定义的处理函数，还有一些可以被忽略。

通过信号，操作系统能够在关键时刻打断进程的正常执行，使进程具备 响应外部环境变化、实现进程间控制与协作 的能力。

2 中断

2.1 硬中断

硬中断 由硬件设备主动发起，是硬件向 CPU 传递 “紧急事件”，如数据接收完成、故障告警等的核心机制。

当硬件设备（如网卡、磁盘、键盘）完成操作或出现异常时，会通过硬件引脚向 CPU 发送中断请求信号（IRQ, Interrupt Request）；一旦收到该信号，CPU 会立即暂停当前正在执行的任务 —— 无论此时运行的是用户态进程（如应用程序）还是内核态逻辑（如进程调度），并优先跳转至该中断对应的中断服务程序（ISR，Interrupt Service Routine） 执行。

由于 硬中断 的触发往往伴随硬件的 “即时需求”，ISR 的设计遵循 “极致精简” 原则：仅完成最核心的紧急操作，不涉及复杂逻辑，以此确保执行时间极短，避免长时间占用 CPU 而阻塞其他硬件的中断请求。

2.2 软中断

硬中断 的核心要求是 “快”, 中断服务程序 ISR 仅能完成诸如 数据搬运、状态标记 等不耗时的简单工作。而 软中断 是操作系统内核中承接硬中断 后续复杂处理 的核心机制。

软中断 的作用是：

• 内核级的异步任务队列，用于在不阻塞硬件响应的前提下，高效处理 硬中断 触发的 非紧急但耗时 的业务逻辑；
• 介于 硬中断 和 普通内核 或 用户进程 之间，平衡了系统的响应速度与处理效率。

3 硬中断、软中断 与 信号

接下来，我们将以 UDP 数据包到达用户进程的完整流程为切入点，深入剖析硬中断、软中断以及信号这三者之间是怎样协同工作的。

3.1 硬中断处理

当用户发送的数据包到达网络接口后，网络接口会先将数据包写入内存，随后触发硬中断，过程如下时序图：

• (1) 客户端发送数据包到服务器，服务器由网卡（NIC, Network Interface Card）接收数据；
• (2) 网卡接收数据包后，不需经过 CPU，直接通过 DMA(Direct Memory Access) 把数据写到内存；
• (3) 在接收到一定的数据包后，网卡通过 硬中断(IRQ) 通知CPU，有数据达到。我们可以通过 ethtool 命令，查看网卡发起 硬中断 的阈值：
  
  其中 rx-usecs: 20，表示当收到第一个包后，网卡会延迟 最多 20 微秒 再触发中断，rx-frames: 5，表示如果累计 5 个数据包，无论时间是否达到 rx-usecs，都会立即触发一次中断；
• (4) CPU 收到硬中断后，会停止当前在执行的内核进程或用户进程；
• (5) CPU 及时执行网卡驱动注册在内核的 ISR；
• (6) ISR 发起软中断，之后，软中断 处理函数将进行后续的处理，至此，硬中断 完成。

3.2 软中断与信号

硬中断 发生后，后续的处理工作会由 软中断 服务程序（ISR）来完成。在软中断服务程序处理完毕后：

• 若用户进程正因等待数据而处于阻塞状态，例如执行了 recv () 调用，内核会直接将其唤醒，使其可以继续运行并读取数据；
• 若用户进程已通过 fcntl 函数配置了 O_ASYNC, 异步 I/O 模式 和 F_SETOWN, 指定信号接收进程，则内核会发送 SIGIO 信号，以此通知进程 “数据已就绪”。

处理时序图如下（图中省略了部分细节，仅为展示整体处理流程）：

• (7) 软中断由 ksoftirqd （全称 Kernel Soft IRQ Daemon）进程处理。ksoftirqd 是内核的 daemon 进程，每个CPU核对应一个 ksoftirqd 进程。如下图，服务器有 8 个核，则有 8 个 ksoftirqd 进程与之绑定：
  
  由于本次 软中断 由网卡驱动发起，因此 ksoftirqd 会调用网络模块的 net_rx_action( rx 为 receive，接收数据的意思) 函数；
• (8) net_rx_action 会调用网卡驱动的 poll 函数；
• (9) poll 函数会读取网卡写到内存中的数据包，并把数据包转换为 skb 格式。skb 是 Linux 内核中用于管理网络数据包的数据结构格式，其全称为 Socket Buffer, 套接字缓冲区；
• (10) 网卡驱动模块调用 napi_gro_receive 函数，skb 数据包将进入网络协议栈；
• (11) skb 逐层经过 2层协议(以太网)、3层协议(IP)、4层协议(TCP/UDP) 协议栈，最终匹配到对应的用户态 socket，数据写入 socket 接收缓冲区；
• (12) 若用户进程因等待数据阻塞，如 recv() 调用，内核直接唤醒进程；若用户进程通过 fcntl 配置了 O_ASYNC， 异步 I/O 和 F_SETOWN，指定信号接收进程 时，内核会发送 SIGIO 信号，通知进程 “数据已就绪”；
• (13) 用户进程 从 Socket 缓冲区读取数据，继续业务逻辑处理。

3.3 总结整个处理流程

网卡接收数据包 -> 网卡驱动处理硬中断并触发 NET_RX_SOFTIRQ 软中断 -> ksoftirqd 检测到软中断并执行 net_rx_action 函数 -> 从 softnet_data.input_pkt_queue 取出 skb 交由 TCP/IP 协议栈逐层解析 -> 协议栈将数据写入目标 socket 接收缓冲区 -> 若用户进程阻塞于 recv () 则内核直接唤醒进程，若配置 O_ASYNC+F_SETOWN 则内核信号子系统向用户进程发送 SIGIO 信号。