一文带你彻底弄懂linux的中断

日更，今天聊一个技术问题：操作系统的中断。

中断是啥：从订外卖说起

首先，这里声明一下，以下比喻并非我原创，摘自极客时间我购买的专栏《Linux性能优化实战》，我略有扩充。

假如你订了份外卖，没有任何方法获取外卖员何时会过来（就好像原始社会），且外卖员不会等你，到达后看到门口没有人就会离开。这时候你就只能不停地去门口查看，不能做其他事情。你会不会很崩溃😃？

后来你想了个办法，下单时跟配送员约好，他到了就打电话给你。那么你就可以去忙别的事情，直到电话一响，去取就是了。

非常容易理解吧？那么你能猜出来上面的例子中，哪部分对应的是中断吗？是的，就是接电话和取外卖。假如你正在写文章，电话一响，你就被打断了。

Linux中的中断定义就是：中断是系统用来响应硬件设备请求的一种机制，它会打断正常进程的调度，转而调用内核中的中断处理程序来响应硬件设备的请求。

为啥要有中断

因为有了电话约定，你就不必苦苦等待，可以做很多其他事情，例如写文章啦、打游戏啦、陪亲人啦都可以。毫无疑问，这会让你在相同的时间里做更多的事情。对应到操作系统，中断作为一种异步事件处理机制，可以让CPU抽出身来处理其他工作，从而极大提高并发处理能力。

这是现代多任务操作系统的一个最重要的特点。

Linux的中断特点

现在你知道了，中断会打断你手中的事情，例如你正在写作，电话一响，你就必须去取外卖。如果你足够细心，你会发现一个问题，例如：
我脑海中的灵感正如泉涌，如果取外卖花了我太长时间（例如配送员被小区保安拦住不让进，我要跑到大门口去取），那么这个体验岂不是很糟糕？

为了应对这种花费太多时间较差的情况，你想到了让外卖小哥先放到保安室，然后他可以自行离开。你也可以不必着急去取，写完文章再去取也不迟是吧？

Linux为了处理这种情况，当然也考虑到了这点。Linux把中断分成了两个阶段：上半部和下半部。

• 上半部：接电话。快速处理，在屏蔽其他中断模式下运行（可以理解为你正在打电话，其他人再打就会占线打不通，被屏蔽），主要处理跟硬件相关或时间敏感的工作。
• 下半部：去取外卖。通常是交由内核线程去运行，主要处理上半部分未完成的工作。这部分会被放到工作队列里异步执行。

如果你熟悉多线程编程，就很容易理解了，上半部分是临界区（某一时刻只能有一个线程据有），下半部分则比较自由了，可以并行，可以异步等等。

那么，硬中断和软中断都是什么鬼？中断服务程序呢？

上面知道了上半部和下半部之后，其实可以粗略地理解为：上半部=硬中断；下半部=软中断。

硬中断	上半部,硬件设备的中断,快速处理,通常很短.
软中断	下半部,或一些内核自定义事件(如网络收发,定时,调度,RCU锁),内核线程执行.

中断服务程序就是中断一旦发生，就会去执行的代码块。软硬中断都会有各自的中断服务程序。它们的特点是比较简短（尤其硬中断，屏蔽模式可能导致其他中断丢失）。

中断和CPU使用率关系

�我们使用top命令，第一行输出：

$ top
%Cpu(s):  0.0 us,  0.2 sy,  0.0 ni, 99.8 id,  0.0 wa,  0.0 hi,  0.0 si,  0.0 st
...(省略)...

第一行显示的就是CPU使用率，我们知道：
CPU总使用率 = 除idle（id）之外的所有使用率之和 = us + sy + ni + wa + hi + si +st
其中hi表示硬中断（hardware interrupts），si表示软中断（software interrupts）。
所以，如果hi和si升高，也必然会导致CPU使用率升高哟。反向推理也很容易理解，中断就意味着切换，切换就意味着开销，所以中断肯定是有负载的。

查看linux下的软硬中断种类及发生的次数，可以查看：

• /proc/interrupts 提供了开机以来硬中断的运行情况;
• /proc/softirqs 提供了开机以来软中断的运行情况.
  例如查看软中断：

$ cat /proc/softirqs
                    CPU0       CPU1
          HI:          0          0
       TIMER:     811613    1972736
      NET_TX:         49          7
      NET_RX:    1136736    1506885
       BLOCK:          0          0
    IRQ_POLL:          0          0
     TASKLET:     304787       3691
       SCHED:     689718    1897539
     HRTIMER:          0          0
         RCU:    1330771    1354737

• 第一列展示的是软中断的类型,共10个,如NET_RX表示网络接收中断;NET_TX表示网络发送中断;RCU表示Read-Copy Update缩写,是linux中最常用的锁之一.
• 第二列及以后的表示在每个CPU上的分布.通常,同一种中断在不同CPU上的累计次数应该差不多,都在同一个数量级上.除了TASKLET.

什么是TASKLET:最常用的软中断的一种实现,简单易用,每个TASKLET只运行一次就会结束,并且只在它的函数所在的CPU上运行.这意味着,这种轻量级中断会导致调度不均衡,会导致在多个CPU上并行带来性能限制.

再来一个更常用的例子：网卡接收数据

1. 上半部:网卡接收到数据包时,会通过硬件中断来通知内核有新的数据到了.此时内核就调用中断处理程序来响应它:把网卡的数据读取到内存中,然后更新一下寄存器状态(表示数据已经读完),然后再发送软中断,进入下半部.
2. 下半部:(某一时刻)下半部信号被唤醒,则从内存中取到数据,按照协议栈逐层解析和处理,最后送给应用程序,中断完毕.

划重点：总结

1. 中断是系统用来响应硬件设备请求的一种机制,它会打断正常进程,转而调用内核中的中断处理程序来响应硬件设备的请求。
2. 中断是一种异步的事件处理机制,提高系统并发能力。
3. linux把中断分为两部分：上半部=硬中断，下半部=软中断。硬中断会开启屏蔽模式，所以大都简短以尽快结束；软中断可以异步(延迟)执行，自由度较大。
4. 如果你的CPU升高，要看看是不是中断引起的，如果是，看看是什么类型中断，然后找出制造这种中断的罪魁祸首（进程）。