中断也是CPU消耗大户？

前面的几篇文章里讨论过了进程上下文切换对系统性能的影响，我们今天再来看另外一个CPU吃货，那就是中断。你在用vmstat或者其他一些工具查看系统CPU消耗的时候，发现有两列是单独列出来的，分别是是hi和si。他们就是硬中断和软中断。 既然把这二位列出来了，就说明一个问题，中断吃起CPU来那也是毫不客气。

中断和系统调用开销对比

非常喜欢《深入理解Linux内核-第五章》开头的一句话。“你可以把内核看做是不断对请求进行响应的服务器，这些请求可能来自在CPU上执行的进程，也可能来自发出中断的外部设备。老板的请求相当于中断，而顾客的请求相当于用户态进程发出的系统调用”。

这句话，很形象地把中断和系统调用两个不相关的概念联系了起来，巧妙地找到了这二者之间的相似处。
中断和系统调用，都是需要内核停止掉当前用户态的工作，保存工作现场，然后陷入到内核态继续工作。待到工作完成之后，恢复用户态进程现场，继续工作。 而事实上，早期的系统调用也还真的是通过汇编指令int（中断）来实现的，当用户态进程发出int $0x80指令时，CPU切换到内核态并开始执行system_call函数。 只不过后来大家觉得系统调用实在是太慢了，因为int指令要执行一致性和安全性检查。后来内核又该用了Intel提供的“快速系统调用”的sysenter指令，才算是和中断脱离了一点点干系。

所以，从这点上来看，中断的开销应该是比系统调用的开销要多一些的。 根据以前的的实验结果，系统调用开销是200ns起步。

中断和进程上下文切换开销对比

《深入理解Linux内核-第五章》曰，“中断处理程序和进程切换有一个明显的差异，由中断或异常处理程序执行的代码不是一个进程。更确切地说，它是一个内核控制路径。作为一个内核控制路径，中断处理程序比一个进程要轻量。因为中断的上下文很少，建立或终止中断处理的时间要少。”
前面的实验结论表明，进程上下文切换的开销大约是3-5us。

开销估算

综上所述，中断的CPU耗时大约是在200ns到5us之间,我们通过一些简单的办法计算一下看看是不是符合。

• 查看系统软中断开销
  首先用top命令可以看出每个核上软中断的开销占比，是在si列

top
top - 19:51:24 up 78 days,  7:53,  2 users,  load average: 1.30, 1.35, 1.35  
Tasks: 923 total,   2 running, 921 sleeping,   0 stopped,   0 zombie  
Cpu(s):  7.1%us,  1.4%sy,  0.0%ni, 90.1%id,  0.1%wa,  0.2%hi,  1.2%si,  0.0%st  
Mem:  65872372k total, 64711668k used,  1160704k free,   339384k buffers  
Swap:        0k total,        0k used,        0k free, 55542632k cached  

如上图所示，CPU大约花费了1.2%的时钟周期在软中断上，平均每个核花费12ms。

再用vmstat命令可以看到软中断的次数

$ vmstat 1
procs -----------memory---------- ---swap-- -----io---- --system-- -----cpu------
 r  b   swpd   free   buff  cache   si   so    bi    bo   in   cs us sy id wa st
 1  0      0 1231716 339244 55474204    0    0     6   496    0    0  7  3 90  0  0  
 2  0      0 1231352 339244 55474204    0    0     0   128 57402 24593  5  2 92  0  0  
 2  0      0 1230988 339244 55474528    0    0     0   140 55267 24213  5  2 93  0  0  
 2  0      0 1230988 339244 55474528    0    0     0   332 56328 23672  5  2 93  0  0  

每秒大约有56000次左右的软中断（该机器上是web服务，网络IO密集型的机器，硬中断可以忽略不计）。

该机器是16核的物理实机，故可以得出每个软中断需要的CPU时间是=12ms/(56000/16)次=3.428us

从实验数据来看，一次软中断CPU开销大约3.4us左右

相关Linux命令

• top: si列展示软中断造成CPU开销
• vmstat 1：in列每秒展示软中断次数
• cat /proc/softirqs：展示所有软中断发生的总数，包括TIMER、NET_TX、NET_RX等

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参考文献

• [深入理解Linux内核]
• 中断上下文切换
• CPU检测到中断信号时，怎么知道是发给哪个进程的？