kk Blog —— 通用基础

http://www.wowotech.net/linux_kenrel/soft-irq.html

一、前言

对于中断处理而言，linux将其分成了两个部分，一个叫做中断handler（top half），是全程关闭中断的，另外一部分是deferable task（bottom half），属于不那么紧急需要处理的事情。在执行bottom half的时候，是开中断的。有多种bottom half的机制，例如：softirq、tasklet、workqueue或是直接创建一个kernel thread来执行bottom half（这在旧的kernel驱动中常见，现在，一个理智的driver厂商是不会这么做的）。本文主要讨论softirq机制。由于tasklet是基于softirq的，因此本文也会提及tasklet，但主要是从需求层面考虑，不会涉及其具体的代码实现。

在普通的驱动中一般是不会用到softirq，但是由于驱动经常使用的tasklet是基于softirq的，因此，了解softirq机制有助于撰写更优雅的driver。softirq不能动态分配，都是静态定义的。内核已经定义了若干种softirq number，例如网络数据的收发、block设备的数据访问（数据量大，通信带宽高），timer的deferable task（时间方面要求高）。本文的第二章讨论了softirq和tasklet这两种机制有何不同，分别适用于什么样的场景。第三章描述了一些context的概念，这是要理解后续内容的基础。第四章是进入softirq的实现，对比hard irq来解析soft irq的注册、触发，调度的过程。

• 注：本文中的linux kernel的版本是3.14

二、为何有softirq和tasklet

1、为何有top half和bottom half

中断处理模块是任何OS中最重要的一个模块，对系统的性能会有直接的影响。想像一下：如果在通过U盘进行大量数据拷贝的时候，你按下一个key，需要半秒的时间才显示出来，这个场景是否让你崩溃？因此，对于那些复杂的、需要大量数据处理的硬件中断，我们不能让handler中处理完一切再恢复现场（handler是全程关闭中断的），而是仅仅在handler中处理一部分，具体包括：
（1）有实时性要求的
（2）和硬件相关的。例如ack中断，read HW FIFO to ram等
（3）如果是共享中断，那么获取硬件中断状态以便判断是否是本中断发生

除此之外，其他的内容都是放到bottom half中处理。在把中断处理过程划分成top half和bottom half之后，关中断的top half被瘦身，可以非常快速的执行完毕，大大减少了系统关中断的时间，提高了系统的性能。

我们可以基于下面的系统进一步的进行讨论：

当网卡控制器的FIFO收到的来自以太网的数据的时候（例如半满的时候，可以软件设定），可以将该事件通过irq signal送达Interrupt Controller。Interrupt Controller可以把中断分发给系统中的Processor A or B。

NIC的中断处理过程大概包括：

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mask and ack interrupt controller--->ack NIC--->copy FIFO to ram--->handle Data in the ram--->unmask interrupt controller

我们先假设Processor A处理了这个网卡中断事件，于是NIC的中断handler在Processor A上欢快的执行，这时候，Processor A的本地中断是disable的。NIC的中断handler在执行的过程中，网络数据仍然源源不断的到来，但是，如果NIC的中断handler不操作NIC的寄存器来ack这个中断的话，NIC是不会触发下一次中断的。还好，我们的NIC interrupt handler总是在最开始就会ack，因此，这不会导致性能问题。ack之后，NIC已经具体再次trigger中断的能力。当Processor A上的handler 在处理接收来自网络的数据的时候，NIC的FIFO很可能又收到新的数据，并trigger了中断，这时候，Interrupt controller还没有umask，因此，即便还有Processor B（也就是说有处理器资源），中断控制器也无法把这个中断送达处理器系统。因此，只能眼睁睁的看着NIC FIFO填满数据，数据溢出，或者向对端发出拥塞信号，无论如何，整体的系统性能是受到严重的影响。

注意：对于新的interrupt controller，可能没有mask和umask操作，但是原理是一样的，只不过NIC的handler执行完毕要发生EOI而已。

要解决上面的问题，最重要的是尽快的执行完中断handler，打开中断，unmask IRQ（或者发送EOI），方法就是把耗时的handle Data in the ram这个步骤踢出handler，让其在bottom half中执行。

2、为何有softirq和tasklet

OK，linux kernel已经把中断处理分成了top half和bottom half，看起来已经不错了，那为何还要提供softirq、tasklet和workqueue这些bottom half机制，linux kernel本来就够复杂了，bottom half还来添乱。实际上，在早期的linux kernel还真是只有一个bottom half机制，简称BH，简单好用，但是性能不佳。后来，linux kernel的开发者开发了task queue机制，试图来替代BH，当然，最后task queue也消失在内核代码中了。现在的linux kernel提供了三种bottom half的机制，来应对不同的需求。

workqueue和softirq、tasklet有本质的区别：workqueue运行在process context，而softirq和tasklet运行在interrupt context。因此，出现workqueue是不奇怪的，在有sleep需求的场景中，defering task必须延迟到kernel thread中执行，也就是说必须使用workqueue机制。softirq和tasklet是怎么回事呢？从本质上将，bottom half机制的设计有两方面的需求，一个是性能，一个是易用性。设计一个通用的bottom half机制来满足这两个需求非常的困难，因此，内核提供了softirq和tasklet两种机制。softirq更倾向于性能，而tasklet更倾向于易用性。

我们还是进入实际的例子吧，还是使用上一节的系统图。在引入softirq之后，网络数据的处理如下：

关中断：

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mask and ack interrupt controller--->ack NIC--->copy FIFO to ram--->raise softirq--->unmask interrupt controller

开中断：在softirq上下文中进行handle Data in the ram的动作

同样的，我们先假设Processor A处理了这个网卡中断事件，很快的完成了基本的HW操作后，raise softirq。在返回中断现场前，会检查softirq的触发情况，因此，后续网络数据处理的softirq在processor A上执行。在执行过程中，NIC硬件再次触发中断，Interrupt controller将该中断分发给processor B，执行动作和Processor A是类似的，因此，最后，网络数据处理的softirq在processor B上执行。

为了性能，同一类型的softirq有可能在不同的CPU上并发执行，这给使用者带来了极大的痛苦，因为驱动工程师在撰写softirq的回调函数的时候要考虑重入，考虑并发，要引入同步机制。但是，为了性能，我们必须如此。

当网络数据处理的softirq同时在Processor A和B上运行的时候，网卡中断又来了（可能是10G的网卡吧）。这时候，中断分发给processor A，这时候，processor A上的handler仍然会raise softirq，但是并不会调度该softirq。也就是说，softirq在一个CPU上是串行执行的。这种情况下，系统性能瓶颈是CPU资源，需要增加更多的CPU来解决该问题。

如果是tasklet的情况会如何呢？为何tasklet性能不如softirq呢？如果一个tasklet在processor A上被调度执行，那么它永远也不会同时在processor B上执行，也就是说，tasklet是串行执行的（注：不同的tasklet还是会并发的），不需要考虑重入的问题。我们还是用网卡这个例子吧（注意：这个例子仅仅是用来对比，实际上，网络数据是使用softirq机制的），同样是上面的系统结构图。假设使用tasklet，网络数据的处理如下：

关中断：

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mask and ack interrupt controller--->ack NIC--->copy FIFO to ram--->schedule tasklet--->unmask interrupt controller

开中断：在softirq上下文中（一般使用TASKLET_SOFTIRQ这个softirq）进行handle Data in the ram的动作

同样的，我们先假设Processor A处理了这个网卡中断事件，很快的完成了基本的HW操作后，schedule tasklet（同时也就raise TASKLET_SOFTIRQ softirq）。在返回中断现场前，会检查softirq的触发情况，因此，在TASKLET_SOFTIRQ softirq的handler中，获取tasklet相关信息并在processor A上执行该tasklet的handler。在执行过程中，NIC硬件再次触发中断，Interrupt controller将该中断分发给processor B，执行动作和Processor A是类似的，虽然TASKLET_SOFTIRQ softirq在processor B上可以执行，但是，在检查tasklet的状态的时候，如果发现该tasklet在其他processor上已经正在运行，那么该tasklet不会被处理，一直等到在processor A上的tasklet处理完，在processor B上的这个tasklet才能被执行。这样的串行化操作虽然对驱动工程师是一个福利，但是对性能而言是极大的损伤。

三、理解softirq需要的基础知识（各种context）

1、preempt_count

为了更好的理解下面的内容，我们需要先看看一些基础知识：一个task的thread info数据结构定义如下（只保留和本场景相关的内容）：

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struct thread_info { 
	......
	int preempt_count;    /* 0 => preemptable, <0 => bug */
	......
};

preempt_count这个成员被用来判断当前进程是否可以被抢占。如果preempt_count不等于0（可能是代码调用preempt_disable显式的禁止了抢占，也可能是处于中断上下文等），说明当前不能进行抢占，如果preempt_count等于0，说明已经具备了抢占的条件（当然具体是否要抢占当前进程还是要看看thread info中的flag成员是否设定了_TIF_NEED_RESCHED这个标记，可能是当前的进程的时间片用完了，也可能是由于中断唤醒了优先级更高的进程）。 具体preempt_count的数据格式可以参考下图：

preemption count用来记录当前被显式的禁止抢占的次数，也就是说，每调用一次preempt_disable，preemption count就会加一，调用preempt_enable，该区域的数值会减去一。preempt_disable和preempt_enable必须成对出现，可以嵌套，最大嵌套的深度是255。

hardirq count描述当前中断handler嵌套的深度。对于ARM平台的linux kernel，其中断部分的代码如下：

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void handle_IRQ(unsigned int irq, struct pt_regs *regs)
{
	struct pt_regs *old_regs = set_irq_regs(regs);

	irq_enter(); 
	generic_handle_irq(irq);

	irq_exit();
	set_irq_regs(old_regs);
}

通用的IRQ handler被irq_enter和irq_exit这两个函数包围。irq_enter说明进入到IRQ context，而irq_exit则说明退出IRQ context。在irq_enter函数中会调用preempt_count_add(HARDIRQ_OFFSET)，为hardirq count的bit field增加1。在irq_exit函数中，会调用preempt_count_sub(HARDIRQ_OFFSET)，为hardirq count的bit field减去1。hardirq count占用了4个bit，说明硬件中断handler最大可以嵌套15层。在旧的内核中，hardirq count占用了12个bit，支持4096个嵌套。当然，在旧的kernel中还区分fast interrupt handler和slow interrupt handler，中断handler最大可以嵌套的次数理论上等于系统IRQ的个数。在实际中，这个数目不可能那么大（内核栈就受不了），因此，即使系统支持了非常大的中断个数，也不可能各个中断依次嵌套，达到理论的上限。基于这样的考虑，后来内核减少了hardirq count占用bit数目，改成了10个bit（在general arch的代码中修改为10，实际上，各个arch可以redefine自己的hardirq count的bit数）。但是，当内核大佬们决定废弃slow interrupt handler的时候，实际上，中断的嵌套已经不会发生了。因此，理论上，hardirq count要么是0，要么是1。不过呢，不能总拿理论说事，实际上，万一有写奇葩或者老古董driver在handler中打开中断，那么这时候中断嵌套还是会发生的，但是，应该不会太多（一个系统中怎么可能有那么多奇葩呢？呵呵），因此，目前hardirq count占用了4个bit，应付15个奇葩driver是妥妥的。

对softirq count进行操作有两个场景：

（1）也是在进入soft irq handler之前给 softirq count加一，退出soft irq handler之后给 softirq count减去一。由于soft irq handler在一个CPU上是不会并发的，总是串行执行，因此，这个场景下只需要一个bit就够了，也就是上图中的bit 8。通过该bit可以知道当前task是否在sofirq context。

（2）由于内核同步的需求，进程上下文需要禁止softirq。这时候，kernel提供了local_bf_enable和local_bf_disable这样的接口函数。这部分的概念是和preempt disable/enable类似的，占用了bit9～15，最大可以支持127次嵌套。

2、一个task的各种上下文

看完了preempt_count之后，我们来介绍各种context：

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#define in_irq()        (hardirq_count())
#define in_softirq()        (softirq_count())
#define in_interrupt()        (irq_count())

#define in_serving_softirq()    (softirq_count() & SOFTIRQ_OFFSET)

这里首先要介绍的是一个叫做IRQ context的术语。这里的IRQ context其实就是hard irq context，也就是说明当前正在执行中断handler（top half），只要preempt_count中的hardirq count大于0（＝1是没有中断嵌套，如果大于1，说明有中断嵌套），那么就是IRQ context。

softirq context并没有那么的直接，一般人会认为当sofirq handler正在执行的时候就是softirq context。这样说当然没有错，sofirq handler正在执行的时候，会增加softirq count，当然是softirq context。不过，在其他context的情况下，例如进程上下文中，有有可能因为同步的要求而调用local_bh_disable，这时候，通过local_bh_disable/enable保护起来的代码也是执行在softirq context中。当然，这时候其实并没有正在执行softirq handler。如果你确实想知道当前是否正在执行softirq handler，in_serving_softirq可以完成这个使命，这是通过操作preempt_count的bit 8来完成的。

所谓中断上下文，就是IRQ context ＋ softirq context＋NMI context。

四、softirq机制

softirq和hardirq（就是硬件中断啦）是对应的，因此softirq的机制可以参考hardirq对应理解，当然softirq是纯软件的，不需要硬件参与。

1、softirq number

和IRQ number一样，对于软中断，linux kernel也是用一个softirq number唯一标识一个softirq，具体定义如下：

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enum
{
	HI_SOFTIRQ=0,
	TIMER_SOFTIRQ,
	NET_TX_SOFTIRQ,
	NET_RX_SOFTIRQ,
	BLOCK_SOFTIRQ,
	BLOCK_IOPOLL_SOFTIRQ,
	TASKLET_SOFTIRQ,
	SCHED_SOFTIRQ,
	HRTIMER_SOFTIRQ,
	RCU_SOFTIRQ,    /* Preferable RCU should always be the last softirq */

	NR_SOFTIRQS
};

HI_SOFTIRQ用于高优先级的tasklet，TASKLET_SOFTIRQ用于普通的tasklet。TIMER_SOFTIRQ是for software timer的（所谓software timer就是说该timer是基于系统tick的）。NET_TX_SOFTIRQ和NET_RX_SOFTIRQ是用于网卡数据收发的。BLOCK_SOFTIRQ和BLOCK_IOPOLL_SOFTIRQ是用于block device的。SCHED_SOFTIRQ用于多CPU之间的负载均衡的。HRTIMER_SOFTIRQ用于高精度timer的。RCU_SOFTIRQ是处理RCU的。这些具体使用情景分析会在各自的子系统中分析，本文只是描述softirq的工作原理。

2、softirq描述符

我们前面已经说了，softirq是静态定义的，也就是说系统中有一个定义softirq描述符的数组，而softirq number就是这个数组的index。这个概念和早期的静态分配的中断描述符概念是类似的。具体定义如下：

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struct softirq_action
{
	void    (*action)(struct softirq_action *);
};

static struct softirq_action softirq_vec[NR_SOFTIRQS] __cacheline_aligned_in_smp;

系统支持多少个软中断，静态定义的数组就会有多少个entry。____cacheline_aligned保证了在SMP的情况下，softirq_vec是对齐到cache line的。softirq描述符非常简单，只有一个action成员，表示如果触发了该softirq，那么应该调用action回调函数来处理这个soft irq。对于硬件中断而言，其mask、ack等都是和硬件寄存器相关并封装在irq chip函数中，对于softirq，没有硬件寄存器，只有“软件寄存器”，定义如下：

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typedef struct {
	unsigned int __softirq_pending;
#ifdef CONFIG_SMP
	unsigned int ipi_irqs[NR_IPI];
#endif
} ____cacheline_aligned irq_cpustat_t;

irq_cpustat_t irq_stat[NR_CPUS] ____cacheline_aligned;

ipi_irqs这个成员用于处理器之间的中断，我们留到下一个专题来描述。__softirq_pending就是这个“软件寄存器”。softirq采用谁触发，谁负责处理的。例如：当一个驱动的硬件中断被分发给了指定的CPU，并且在该中断handler中触发了一个softirq，那么该CPU负责调用该softirq number对应的action callback来处理该软中断。因此，这个“软件寄存器”应该是每个CPU拥有一个（专业术语叫做banked register）。为了性能，irq_stat中的每一个entry被定义对齐到cache line。

3、如何注册一个softirq

通过调用open_softirq接口函数可以注册softirq的action callback函数，具体如下：

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void open_softirq(int nr, void (*action)(struct softirq_action *))
{
	softirq_vec[nr].action = action;
}

softirq_vec是一个多CPU之间共享的数据，不过，由于所有的注册都是在系统初始化的时候完成的，那时候，系统是串行执行的。此外，softirq是静态定义的，每个entry（或者说每个softirq number）都是固定分配的，因此，不需要保护。

4、如何触发softirq？

在linux kernel中，可以调用raise_softirq这个接口函数来触发本地CPU上的softirq，具体如下：

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void raise_softirq(unsigned int nr)
{
	unsigned long flags;

	local_irq_save(flags);
	raise_softirq_irqoff(nr);
	local_irq_restore(flags);
}

虽然大部分的使用场景都是在中断handler中（也就是说关闭本地CPU中断）来执行softirq的触发动作，但是，这不是全部，在其他的上下文中也可以调用raise_softirq。因此，触发softirq的接口函数有两个版本，一个是raise_softirq，有关中断的保护，另外一个是raise_softirq_irqoff，调用者已经关闭了中断，不需要关中断来保护“soft irq status register”。

所谓trigger softirq，就是在__softirq_pending（也就是上面说的soft irq status register）的某个bit置一。从上面的定义可知，__softirq_pending是per cpu的，因此不需要考虑多个CPU的并发，只要disable本地中断，就可以确保对，__softirq_pending操作的原子性。

具体raise_softirq_irqoff的代码如下：

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inline void raise_softirq_irqoff(unsigned int nr)
{
	__raise_softirq_irqoff(nr); ---------- （1）

	if (!in_interrupt())
		wakeup_softirqd();      ---------- （2）
}

（1）__raise_softirq_irqoff函数设定本CPU上的__softirq_pending的某个bit等于1，具体的bit是由soft irq number（nr参数）指定的。

（2）如果在中断上下文，我们只要set __softirq_pending的某个bit就OK了，在中断返回的时候自然会进行软中断的处理。但是，如果在context上下文调用这个函数的时候，我们必须要调用wakeup_softirqd函数用来唤醒本CPU上的softirqd这个内核线程。具体softirqd的内容请参考下一个章节。

5、disable/enable softirq

在linux kernel中，可以使用local_irq_disable和local_irq_enable来disable和enable本CPU中断。和硬件中断一样，软中断也可以disable，接口函数是local_bh_disable和local_bh_enable。虽然和想像的local_softirq_enable/disable有些出入，不过bh这个名字更准确反应了该接口函数的意涵，因为local_bh_disable/enable函数就是用来disable/enable bottom half的，这里就包括softirq和tasklet。

先看disable吧，毕竟禁止bottom half比较简单：

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static inline void local_bh_disable(void)
{
	__local_bh_disable_ip(_THIS_IP_, SOFTIRQ_DISABLE_OFFSET);
}

static __always_inline void __local_bh_disable_ip(unsigned long ip, unsigned int cnt)
{
	preempt_count_add(cnt);
	barrier();
}

看起来disable bottom half比较简单，就是讲current thread info上的preempt_count成员中的softirq count的bit field9～15加上一就OK了。barrier是优化屏障（Optimization barrier），会在内核同步系列文章中描述。

enable函数比较复杂，如下：

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static inline void local_bh_enable(void)
{
	__local_bh_enable_ip(_THIS_IP_, SOFTIRQ_DISABLE_OFFSET);
}

void __local_bh_enable_ip(unsigned long ip, unsigned int cnt)
{
	WARN_ON_ONCE(in_irq() || irqs_disabled()); --------- （1）

	preempt_count_sub(cnt - 1);                --------- （2）

	if (unlikely(!in_interrupt() && local_softirq_pending())) {  ------- （3）
		do_softirq();
	}

	preempt_count_dec();                       --------- （4）
	preempt_check_resched();
}

（1）disable/enable bottom half是一种内核同步机制。在硬件中断的handler（top half）中，不应该调用disable/enable bottom half函数来保护共享数据，因为bottom half其实是不可能抢占top half的。同样的，soft irq也不会抢占另外一个soft irq的执行，也就是说，一旦一个softirq handler被调度执行（无论在哪一个processor上），那么，本地的softirq handler都无法抢占其运行，要等到当前的softirq handler运行完毕后，才能执行下一个soft irq handler。注意：上面我们说的是本地，是local，softirq handler是可以在多个CPU上同时运行的，但是，linux kernel中没有disable all softirq的接口函数（就好像没有disable all CPU interrupt的接口一样，注意体会local_bh_enable/disable中的local的含义）。

说了这么多，一言以蔽之，local_bh_enable/disable是给进程上下文使用的，用于防止softirq handler抢占local_bh_enable/disable之间的临界区的。

irqs_disabled接口函数可以获知当前本地CPU中断是否是disable的，如果返回1，那么当前是disable 本地CPU的中断的。如果irqs_disabled返回1，有可能是下面这样的代码造成的：

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local_irq_disable();
......
local_bh_disable();

......

local_bh_enable();
......
local_irq_enable();

本质上，关本地中断是一种比关本地bottom half更强劲的锁，关本地中断实际上是禁止了top half和bottom half抢占当前进程上下文的运行。也许你会说：这也没有什么，就是有些浪费，至少代码逻辑没有问题。但事情没有这么简单，在local_bh_enable--->do_softirq--->__do_softirq中，有一条无条件打开当前中断的操作，也就是说，原本想通过local_irq_disable/local_irq_enable保护的临界区被破坏了，其他的中断handler可以插入执行，从而无法保证local_irq_disable/local_irq_enable保护的临界区的原子性，从而破坏了代码逻辑。

in_irq()这个函数如果不等于0的话，说明local_bh_enable被irq_enter和irq_exit包围，也就是说在中断handler中调用了local_bh_enable/disable。这道理是和上面类似的，这里就不再详细描述了。

（2）在local_bh_disable中我们为preempt_count增加了SOFTIRQ_DISABLE_OFFSET，在local_bh_enable函数中应该减掉同样的数值。这一步，我们首先减去了（SOFTIRQ_DISABLE_OFFSET-1），为何不一次性的减去SOFTIRQ_DISABLE_OFFSET呢？考虑下面运行在进程上下文的代码场景：

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......

local_bh_disable

...需要被保护的临界区...

local_bh_enable
......

在临界区内，有进程context 和softirq共享的数据，因此，在进程上下文中使用local_bh_enable/disable进行保护。假设在临界区代码执行的时候，发生了中断，由于代码并没有阻止top half的抢占，因此中断handler会抢占当前正在执行的thread。在中断handler中，我们raise了softirq，在返回中断现场的时候，由于disable了bottom half，因此虽然触发了softirq，但是不会调度执行。因此，代码返回临界区继续执行，直到local_bh_enable。一旦enable了bottom half，那么之前raise的softirq就需要调度执行了，因此，这也是为什么在local_bh_enable会调用do_softirq函数。

调用do_softirq函数来处理pending的softirq的时候，当前的task是不能被抢占的，因为一旦被抢占，下一次该task被调度运行的时候很可能在其他的CPU上去了（还记得吗？softirq的pending 寄存器是per cpu的）。因此，我们不能一次性的全部减掉，那样的话有可能preempt_count等于0，那样就允许抢占了。因此，这里减去了（SOFTIRQ_DISABLE_OFFSET-1），既保证了softirq count的bit field9~15被减去了1，又保持了preempt disable的状态。

（3）如果当前不是interrupt context的话，并且有pending的softirq，那么调用do_softirq函数来处理软中断。

（4）该来的总会来，在step 2中我们少减了1，这里补上，其实也就是preempt count-1。

（5）在softirq handler中很可能wakeup了高优先级的任务，这里最好要检查一下，看看是否需要进行调度，确保高优先级的任务得以调度执行。

5、如何处理一个被触发的soft irq

我们说softirq是一种defering task的机制，也就是说top half没有做的事情，需要延迟到bottom half中来执行。那么具体延迟到什么时候呢？这是本节需要讲述的内容，也就是说soft irq是如何调度执行的。

在上一节已经描述一个softirq被调度执行的场景，本节主要关注在中断返回现场时候调度softirq的场景。我们来看中断退出的代码，具体如下：

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void irq_exit(void)
{
	......
	if (!in_interrupt() && local_softirq_pending())
		invoke_softirq();

	......
}

代码中“!in_interrupt()”这个条件可以确保下面的场景不会触发sotfirq的调度：

（1）中断handler是嵌套的。也就是说本次irq_exit是退出到上一个中断handler。当然，在新的内核中，这种情况一般不会发生，因为中断handler都是关中断执行的。

（2）本次中断是中断了softirq handler的执行。也就是说本次irq_exit是不是退出到进程上下文，而是退出到上一个softirq context。这一点也保证了在一个CPU上的softirq是串行执行的（注意：多个CPU上还是有可能并发的）

我们继续看invoke_softirq的代码：

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static inline void invoke_softirq(void)
{
	if (!force_irqthreads) {
#ifdef CONFIG_HAVE_IRQ_EXIT_ON_IRQ_STACK
		__do_softirq();
#else
		do_softirq_own_stack();
#endif
	} else {
		wakeup_softirqd();
	}
}

force_irqthreads是和强制线程化相关的，主要用于interrupt handler的调试（一般而言，在线程环境下比在中断上下文中更容易收集调试数据）。如果系统选择了对所有的interrupt handler进行线程化处理，那么softirq也没有理由在中断上下文中处理（中断handler都在线程中执行了，softirq怎么可能在中断上下文中执行）。本身invoke_softirq这个函数是在中断上下文中被调用的，如果强制线程化，那么系统中所有的软中断都在sofirq的daemon进程中被调度执行。

如果没有强制线程化，softirq的处理也分成两种情况，主要是和softirq执行的时候使用的stack相关。如果arch支持单独的IRQ STACK，这时候，由于要退出中断，因此irq stack已经接近全空了（不考虑中断栈嵌套的情况，因此新内核下，中断不会嵌套），因此直接调用__do_softirq()处理软中断就OK了，否则就调用do_softirq_own_stack函数在softirq自己的stack上执行。当然对ARM而言，softirq的处理就是在当前的内核栈上执行的，因此do_softirq_own_stack的调用就是调用__do_softirq()，代码如下（删除了部分无关代码）：

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asmlinkage void __do_softirq(void)
{
......
	pending = local_softirq_pending();  ----------- 获取softirq pending的状态
	__local_bh_disable_ip(_RET_IP_, SOFTIRQ_OFFSET); ---- 标识下面的代码是正在处理softirq
	cpu = smp_processor_id();
restart:
	set_softirq_pending(0);  ------------- 清除pending标志
	local_irq_enable();      ------------- 打开中断，softirq handler是开中断执行的
	h = softirq_vec;         ------------- 获取软中断描述符指针

	while ((softirq_bit = ffs(pending))) { --------- 寻找pending中第一个被设定为1的bit
		unsigned int vec_nr;
		int prev_count;

		h += softirq_bit - 1; ----------- 指向pending的那个软中断描述符
		vec_nr = h - softirq_vec; ------- 获取soft irq number
		h->action(h);         ----------- 指向softirq handler
		h++;
		pending >>= softirq_bit;
	}

	local_irq_disable();      ----------- 打开中断

	pending = local_softirq_pending(); ------ （注1）
	if (pending) {
		if (time_before(jiffies, end) && !need_resched() &&
			--max_restart)
			goto restart;

		wakeup_softirqd();
	}
	__local_bh_enable(SOFTIRQ_OFFSET); ----------- 标识softirq处理完毕
}

（注1）再次检查softirq pending，有可能上面的softirq handler在执行过程中，发生了中断，又raise了softirq。如果的确如此，那么我们需要跳转到restart那里重新处理soft irq。当然，也不能总是在这里不断的loop，因此linux kernel设定了下面的条件：

（1）softirq的处理时间没有超过2个ms

（2）上次的softirq中没有设定TIF_NEED_RESCHED，也就是说没有有高优先级任务需要调度

（3）loop的次数小于 10次

因此，只有同时满足上面三个条件，程序才会跳转到restart那里重新处理soft irq。否则wakeup_softirqd就OK了。这样的设计也是一个平衡的方案。一方面照顾了调度延迟：本来，发生一个中断，系统期望在限定的时间内调度某个进程来处理这个中断，如果softirq handler不断触发，其实linux kernel是无法保证调度延迟时间的。另外一方面，也照顾了硬件的thoughput：已经预留了一定的时间来处理softirq。

http://www.cnblogs.com/liangning/p/3879177.html

基于3.16-rc4

在3.16-rc4内核源码中，内核给每个进程分配的内核栈大小为8KB。这个内核栈被称为异常栈，在进程的内核空间运行时或者执行异常处理程序时，使用的都是异常栈，看下异常栈的代码（include/linux/sched.h）：

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union thread_union {
	struct thread_info thread_info;
	unsigned long stack[THREAD_SIZE/sizeof(long)];
};

THREAD_SIZE值为8KB，因此内核为进程的异常栈（内核栈）分配了两个页框大小（页框大小4KB）。另外，进程的thread_info结构体保存在栈顶部。

此外，内核为每个cpu分配一个硬中断栈和一个软中断栈（这两个栈也是内核栈），用来执行中断服务例程和下半部（软中断），看看代码（arch/x86/kernel/irq_32.c）。这两个栈属于cpu，不属于进程，这和异常栈是有区别的。

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DEFINE_PER_CPU(struct irq_stack *, hardirq_stack);
DEFINE_PER_CPU(struct irq_stack *, softirq_stack);

定义了两个数组hardirq_stack和softirq_stack，每个数组元素对应一个cpu，指向了该cpu的硬中断栈或者软中断栈。再来看下struct irq_stack结构体（arch/x86/include/asm/processor.h）：

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struct irq_stack {
	u32                     stack[THREAD_SIZE/sizeof(u32)];
} __aligned(THREAD_SIZE);

可见，硬中断栈和软中断栈的大小均为8KB。

内核在执行中断处理程序时，在do_IRQ函数中会调用handle_irq函数，在handle_irq函数中要进行堆栈切换，代码如下（arch/x86/kernel/irq_32.c）：

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bool handle_irq(unsigned irq, struct pt_regs *regs)
{
	struct irq_desc *desc;
	int overflow;

	overflow = check_stack_overflow();

	desc = irq_to_desc(irq);
	if (unlikely(!desc))
	return false;

	if (user_mode_vm(regs) || !execute_on_irq_stack(overflow, desc, irq)) {
		if (unlikely(overflow))
			print_stack_overflow();
		desc->handle_irq(irq, desc);
	}

	return true;
}

第12行中执行execute_on_irq_stack函数来判断是否需要堆栈切换，如果不需要，则执行if体的中断服务例程，即在当前堆栈中执行中断服务例程，如果需要切换堆栈，则在execute_on_irq_stack函数中切换堆栈并在该函数中（新堆栈中）执行中断服务例程。下面看下execute_on_irq_stack代码（arch/x86/kernel/irq_32.c）：

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static inline int
execute_on_irq_stack(int overflow, struct irq_desc *desc, int irq)
{
	struct irq_stack *curstk, *irqstk;
	u32 *isp, *prev_esp, arg1, arg2;

	curstk = (struct irq_stack *) current_stack();
	irqstk = __this_cpu_read(hardirq_stack);

	/*
	 * this is where we switch to the IRQ stack. However, if we are
	 * already using the IRQ stack (because we interrupted a hardirq
	 * handler) we can't do that and just have to keep using the
	 * current stack (which is the irq stack already after all)
	 */
	if (unlikely(curstk == irqstk))
	    return 0;

	isp = (u32 *) ((char *)irqstk + sizeof(*irqstk));

	/* Save the next esp at the bottom of the stack */
	prev_esp = (u32 *)irqstk;
	*prev_esp = current_stack_pointer;

	if (unlikely(overflow))
	    call_on_stack(print_stack_overflow, isp);

	asm volatile("xchgl    %%ebx,%%esp    \n"
	         "call    *%%edi        \n"
	         "movl    %%ebx,%%esp    \n"
	         : "=a" (arg1), "=d" (arg2), "=b" (isp)
	         :  "0" (irq),   "1" (desc),  "2" (isp),
	        "D" (desc->handle_irq)
	         : "memory", "cc", "ecx");
	return 1;
}

第7行获取当前堆栈的指针，第8行获取本地cpu的硬中断栈指针，第16行对二者进行比较，如果相等，则不需要切换堆栈（说明当前堆栈就是硬中断栈，也说明是在中断处理程序中时又发生了中断）。如果不相等，就要进行堆栈切换，第22-23行将当前堆栈指针保存在将要切换到的堆栈中（用于返回）。第28行，交换ebx和esp寄存器的值（实现了堆栈切换，将中断栈指针给了esp），第29行跳转到相应的中断服务例程，第30行从中断服务例程返回后，又将原来的堆栈指针赋给esp，切换到原先堆栈。第33行将中断服务例程函数名存放在%edi中。

http://www.lenky.info/archives/2013/03/2247

说一下上文中最开始提到的“某个问题”：如果一台主机网卡比较多，然后每个网卡分队列又比较多，总之结果就是系统里的网卡设备的中断号比较多（关于超过256个中断数的情况，请见参考1，2，3），一旦所有这些中断都绑定到同一个CPU，那么如果网卡收到数据包进而触发中断，而众多硬中断一嵌套就非常容易出现中断栈溢出。一旦中断栈溢出，那么将会导致怎样的结果，这曾在之前的文章里隐含的提到过，这里再重新整理一遍。

在继续下面的描述之前，先看两个知识点：

1，Linux 2.4.x的中断栈：

a)，由硬中断/软中断共同使用同一个中断栈
b)，中断栈与内核栈共享一个栈
c)，中断执行的时候使用的栈就是当前进程的内核栈

2，Linux 2.6.x的中断栈：

a)，硬中断与软中断分离使用不同的中断栈
b)，中断栈与内核栈分离
c)，X86_64 double fault、NMI还可以有额外的栈（64bit特性：IST(Interrupt Stack Table)）

可以看到，对于Linux 2.4.x内核而言，因为中断处理函数使用内核栈作为中断栈，所以导致更加容易发生内核栈溢出（因内核函数本身用栈过多导致溢出，或内核函数本身还未导致内核栈溢出，但此时来了一个中断，因中断函数使用栈而导致溢出，即中断函数成了压死骆驼的最后一根稻草），而内核栈溢出的直接结果就是踩坏task结构体，从而无法正常执行对应的task进程而出现oops宕机。

由于“中断执行的时候使用的栈就是当前进程的内核栈”，所以如果是执行到中断函数后才溢出，那么导致oops里提示的进程信息可能每次都不一样，因此如果出现这种情况，需要考虑是中断函数导致内核栈溢出，否则需怀疑普通的内核函数导致栈溢出即可。

对于Linux 2.6.x内核而言，因为其中断/内核栈分离、软/硬中断栈分离，即每个CPU私有两个栈（见下面注释）分别处理软中断和硬中断，因此出现内核栈溢出，特别是中断栈溢出的概率大大降低。

注释：这个说法来之书本《Understanding.the.Linux.Kernel.3rd.Edition》4.6.1.4. Multiple Kernel Mode stacks，而这本书针对的内核版本是2.6.11，且主要是指32位架构，所以与现在的新版内核源码有些许出入（比如现在情况的栈大小可能是占用2页），但这些细微改变与本文的具体问题相关不大（无非是溢出的难易程度问题），这里不再深入研究，具体情况请参考源代码自行斟酌。

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The hard IRQ stack is used when handling interrupts. There is one hard IRQ stack for each CPU in the system, and each stack is contained in a single page frame.

The soft IRQ stack is used when handling deferrable functions (softirqs or tasklets; see the later section “Softirqs and Tasklets”). There is one soft IRQ stack for each CPU in the system, and each stack is contained in a single page frame. 

回到本文的主题，在之前的文章里提到过，即如果中断/异常处理函数本身在处理的过程中出现异常，那么就有可能发生double fault，比如中断栈溢出。中断栈溢出导致的最终结果有两种情况，这由所使用的具体Linux内核版本来决定，更具体点说是由double fault异常的栈是否单独来决定（见参考1）。

1，double fault的栈被单独出来
这意味着double fault的处理函数还能正常执行，因此打印oops，宕机。

2，double fault的栈没有被单独出来
这意味着double fault的处理函数也无法正常执行，进而触发triple fault，机器直接重启。

对于86-64架构下的Linux 2.6.x内核，因为IST(Interrupt Stack Table)的帮助，所以中断栈溢出导致的最终结果就是打印oops，宕机。

下面来看内核源码文档kernel-stacks，
1，每一个活动线程都有一个内核栈，大小为2页。
2，每一个cpu有一些专门的栈，只有当cpu执行在内核态时，这些栈才有用；一旦cpu回退到用户态，这些特定栈就不再包含任何有用数据。
3，主要的特定栈有：
a，中断栈：外部硬件中断的处理函数使用，单独的栈可以提供给中断处理函数更多的栈空间。
这里还提到，在2.6.x-i386下，如果设置内核栈只有4K，即CONFIG_4KSTACKS，那么中断栈也是单独开的。备注：这个已有修改，2010-06-29 x86: Always use irq stacks，即不管设置的内核栈是否只有4K，中断栈都是独立的了。

另外，这里有个说法与前面的引用有点出入：

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The interrupt stack is also used when processing a softirq. 

即软中断和硬中断一样，也是使用这个中断栈。

b，x86_64所特有的（也就是i386没有，即同时2.6.30.8内核，32位的Linux就不具备下面所说的这个特性），为double fault或NMI单独准备的栈，这个特性被称为Interrupt Stack Table(IST)。每个cpu最多支持7个IST。关于IST的具体原理与实现暂且不说，直接来看当前已经分配的IST独立栈：

• STACKFAULT_STACK. EXCEPTION_STKSZ (PAGE_SIZE)
  12号中断Stack Fault Exception (#SS)使用

• DOUBLEFAULT_STACK. EXCEPTION_STKSZ (PAGE_SIZE)
  8号中断Double Fault Exception (#DF)使用

• NMI_STACK. EXCEPTION_STKSZ (PAGE_SIZE)
  2号中断non-maskable interrupts (NMI)使用

• DEBUG_STACK. DEBUG_STKSZ
  1号中断硬件调试和3号中断软件调试使用

• MCE_STACK. EXCEPTION_STKSZ (PAGE_SIZE)
  18号中断Machine Check Exception (#MC)使用

正因为double fault异常处理函数所使用的栈被单独了出来，所以在出现中断栈溢出时，double fault异常的处理函数还能正常执行，顺利打印出oops信息。

最后的最后，有补丁移除IST功能（貌似是因为如果没有IST功能，那么kvm可以得到更好的优化，具体请见参考5），但通过对比补丁修改与实际源码（2.6.30.8以及3.6.11）来看，这个补丁并没有合入mainline主线。

参考资料：

1，where is hardware timer interrupt?
http://stackoverflow.com/questions/14481032/where-is-hardware-timer-interrupt

2，The MSI Driver Guide HOWTO
https://git.kernel.org/cgit/linux/kernel/git/stable/linux-stable.git/tree/Documentation/PCI/MSI-HOWTO.txt?id=v2.6.30.8
对应的翻译版：http://blog.csdn.net/reviver/article/details/6802347

3，[PATCH] x86: 64bit support more than 256 irq v2
http://linux-kernel.2935.n7.nabble.com/PATCH-x86-64bit-support-more-than-256-irq-v2-td323261.html

4，How is an Interrupt handled in Linux?
http://unix.stackexchange.com/questions/5788/how-is-an-interrupt-handled-in-linux

5，Remove interrupt stack table usage from x86_64 kernel (v2)
http://lwn.net/Articles/313029/
http://thread.gmane.org/gmane.comp.emulators.kvm.devel/26741

6，Interrupt Descriptor Table
http://wiki.osdev.org/IDT

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