专栏首页自动化、性能测试性能测试必备知识(9)- 深入理解“软中断”

性能测试必备知识(9)- 深入理解“软中断”

前言

  • 软中断(softirq)导致 CPU 使用率升高也是最常见的一种性能问题
  • 所以软中断这个硬骨头必须啃下去!

回忆下什么是中断

  • 中断是系统用来响应硬件设备请求的一种机制
  • 它会打断进程的正常调度和执行
  • 然后调用内核中的中断处理程序来响应硬件设备的请求

场景类比,加深印象

比如说你订了一份外卖,但是不确定外卖什么时候送到,也没有别的方法了解外卖的进度, 但是,配送员送外卖是不等人的,到了你这儿没人取的话,就直接走人了;所以你只能苦苦等着,时不时去门口看看外卖送到没,而不能干其他事情;不过呢,如果在订外卖的时候,你就跟配送员约定好,让他送到后给你打个电话,那你就不用苦苦等待了,就可以去忙别的事情,直到电话一响,接电话、取外卖就可以了、

  • 打电话:其实就是一个中断,没接到电话的时候,你可以做其他的事情
  • 只有接到了电话(也就是发生中断),你才要进行另一个动作:取外卖

中断的优势

一种异步的事件处理机制,可以提高系统的并发处理能力

中断运行时间短

  • 由于中断处理程序会打断其他进程的运行,为了减少对正常进程运行调度的影响,中断处理程序就需要尽可能快地运行
  • 如果中断要处理的事情很多,中断服务程序就有可能要运行很长时间

中断处理程序在响应中断

会临时关闭中断。这就会导致上一次中断处理完成之前,其他中断都不能响应,也就是说中断有可能会丢失

响应中断场景类比

假如你订了 2 份外卖,一份主食和一份饮料,并且是由 2 个不同的配送员来配送。这次你不用时时等待着,两份外卖都约定了电话取外卖的方式。但是,问题又来了,当第一份外卖送到时,配送员给你打了个长长的电话,商量发票的处理方式。与此同时,第 二个配送员也到了,也想给你打电话。 但是很明显,因为电话占线(也就是关闭了中断响应),第二个配送员的电话是打不通的。 所以,第二个配送员很可能试几次后就走掉了(也就是丢失了一次中断

软中断

中断处理过程分割

  • 为了解决中断处理程序执行过长和中断丢失的问题,Linux 会将中断处理过程分成两个阶段,也就是上半部和下半部
  • 上半部:快速处理中断,它在中断禁止模式下运行,主要处理跟硬件紧密相关的或时间敏感的工作
  • 下半部:延迟处理上半部未完成的工作,通常以内核线程的方式运行

承上启下

  • 上面说到的响应中断场景
  • 上半部就是你接听电话,告诉配送员你已经知道了,其他事儿见面再说,然后电话就可以挂断了
  • 下半部才是取外卖的动作,以及见面后商量发票处理的动 作。

网卡接收数据包的栗子

网卡接收到数据包后,会通过硬件中断的方式,通知内核有新的数据到了。这时,内核就应该调用中断处理程序来响应它

上半部

  1. 快速处理
  2. 首先,要把网卡的数据读到内存中
  3. 然后,更新一下硬件寄存器的状态(表示数据已经读好了)
  4. 最后,再发送一个软中断信号通知下半部做进一步的处理

下半部

  1. 被软中断信号唤醒
  2. 需要从内存中找到网络数据,再按照网络协议栈,对数据进行逐层解析和处理,直到把它送给应用程序

总结

上半部

  • 直接处理硬件请求,也就是硬中断
  • 特点:快速执行
  • 会打断 CPU 正在执行的任务,然后立即执行中断处理程序

下半部

  • 内核触发,也就是软中断
  • 特点:延迟执行
  • 以内核线程的方式执行,并且每个 CPU 都对应一个软中断内核线程,名字为 “ksoftirqd/CPU 编号”,比如说, 0 号 CPU 对应的软中断内核线程的名字就是 ksoftirqd/0
  • 不只包括了硬件设备中断处理程序的下半部,一些内核自定义的事件也属于软中断,网络收发、定时、调度、RCU 锁等各种类型
  • 内核调度和 RCU 锁(Read-Copy Update), RCU 是 Linux 内核中最常用的锁之一

查看软中断和内核线程

proc 文件系统

它是一种内核空间和用户空间进行通信的机制,可以用来查看内核的数据结构,或者用来动态修改内核的配置

  • :提供了软中断的运行情况

/proc/softirqs

  • :提供了硬中断的运行情况

/proc/interrupts

查看软中断文件内容

$ 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

注意软中断的类型

  • 从第一列可以看出,软中断包括了 10 个类别
  • 比如:NET_RX 表示网络接收中断,而 NET_TX 表示网络发送中断

注意同一种软中断在不同 CPU 上的分布情况

  • 也就是同一行的内容
  • 正常情况 下,同一种中断在不同 CPU 上的累积次数应该差不多
  • 比如:上面的,NET_RX 在 CPU0 和 CPU1 上的中断次数基本是同一个数量级,相差不大

TASKLET

  • TASKLET 在不同 CPU 上的分布并不均匀
  • TASKLET 是最常用的软中断实现机制,每个 TASKLET 只运行一次就会结束 ,并且只在调用它的函数所在的 CPU 上运行
  • 存在的问题: 由于只在一个 CPU 上运行导致的调度不均衡,再比如因为不能在多个 CPU 上并行运行带来了性能限制

查看软中断线程

ps aux | grep softirq
  • 注意,这些线程的名字外面都有中括号,这说明 ps 无法获取它们的命令行参数 (cmline)
  • 一般来说,ps 的输出中,名字括在中括号里的,一般都是内核线程

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