Linux内核设计与实现之中断下半部的处理

pulbieup · 发表于 2020-11-30 17:35

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在前一章（Linux内核设计与实现之中断处理：https://www.eda365.com/thread-464742-1-1.html）也提到过，之所以中断会分成上下两部分，是由于中断对时限的要求非常高，需要尽快的响应硬件。

主要内容：

中断下半部处理
实现中断下半部的机制
总结中断下半部的实现
中断实现示例

1. 中断下半部处理
那么对于一个中断，如何划分上下两部分呢？哪些处理放在上半部，哪些处理放在下半部？

这里有一些经验可供借鉴：

如果一个任务对时间十分敏感，将其放在上半部
如果一个任务和硬件有关，将其放在上半部
如果一个任务要保证不被其他中断打断，将其放在上半部
其他所有任务，考虑放在下半部

2. 实现中断下半部的机制
实现下半部的方法很多，随着内核的发展，产生了一些新的方法，也淘汰了一些旧方法。

目前使用最多的是以下3中方法

2.1 软中断
2.2 tasklet
2.3 工作队列
2.1 软中断
软中断的代码在：kernel/softirq.c

软中断的流程如下：

softirq

流程图中几个步骤的说明：

① 注册软中断的函数 open_softirq参见 kernel/softirq.c文件)

复制代码
/*
* 将软中断类型和软中断处理函数加入到软中断序列中
* @nr                               - 软中断类型
* @(*action)(struct softirq_action *) - 软中断处理的函数指针
*/
void open_softirq(int nr, void (*action)(struct softirq_action *))
{
/* softirq_vec是个struct softirq_action类型的数组 */
softirq_vec[nr].action = action;
}
复制代码
软中断类型目前有10个，其定义在 include/linux/interrupt.h 文件中：

复制代码
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
};
复制代码
struct softirq_action 的定义也在 include/linux/interrupt.h 文件中

复制代码
/*
* 这个结构体的字段是个函数指针，字段名称是action
* 函数指针的返回指是void型
* 函数指针的参数是 struct softirq_action 的地址，其实就是指向 softirq_vec 中的某一项
*    如果 open_softirq 是这样调用的： open_softirq(NET_TX_SOFTIRQ, my_tx_action);
*    那么 my_tx_action 的参数就是 softirq_vec[NET_TX_SOFTIRQ]的地址
*/
struct softirq_action
{
void (*action)(struct softirq_action *);
};
复制代码

② 触发软中断的函数 raise_softirq 参见 kernel/softirq.c文件

复制代码
/*
* 触发某个中断类型的软中断
* @nr - 被触发的中断类型
* 从函数中可以看出，在处理软中断前后有保存和恢复寄存器的操作
*/
void raise_softirq(unsigned int nr)
{
unsigned long flags;

local_irq_save(flags);
raise_softirq_irqoff(nr);
local_irq_restore(flags);
}
复制代码

③ 执行软中断 do_softirq 参见 kernel/softirq.c文件

复制代码
asmlinkage void do_softirq(void)
{
__u32 pending;
unsigned long flags;

/* 判断是否在中断处理中，如果正在中断处理，就直接返回 */
if (in_interrupt())
      return;

/* 保存当前寄存器的值 */
local_irq_save(flags);

/* 取得当前已注册软中断的位图 */
pending = local_softirq_pending();

/* 循环处理所有已注册的软中断 */
if (pending)
      __do_softirq();

/* 恢复寄存器的值到中断处理前 */
local_irq_restore(flags);
}
复制代码

④ 执行相应的软中断 - 执行自己写的中断处理

linux中，执行软中断有专门的内核线程，每个处理器对应一个线程，名称ksoftirqd/n (n对应处理器号)

通过top命令查看我的单核虚拟机，CentOS系统中的ksoftirqd线程如下：

[root@vbox ~]# top | grep ksoftirq
4 root    20 0    0 0 0 S  0.0  0.0 0:00.02 ksoftirqd/0

2.2 tasklet
tasklet也是利用软中断来实现的，但是它提供了比软中断更好用的接口(其实就是基于软中断又封装了一下)，

所以除了对性能要求特别高的情况，一般建议使用tasklet来实现自己的中断。

tasklet对应的结构体在 <linux/interrupt.h> 中

复制代码
struct tasklet_struct
{
struct tasklet_struct *next; /* 链表中的下一个tasklet */
unsigned long state;       /* tasklet状态 */
atomic_t count;             /* 引用计数器 */
void (*func)(unsigned long); /* tasklet处理函数 */
unsigned long data;       /* tasklet处理函数的参数 */
};
复制代码
tasklet状态只有3种值：

值 0 表示该tasklet没有被调度
值 TASKLET_STATE_SCHED 表示该tasklet已经被调度
值 TASKLET_STATE_RUN 表示该tasklet已经运行
引用计数器count 的值不为0，表示该tasklet被禁止。

tasklet使用流程如下：

1. 声明tasklet (参见<linux/interrupt.h>)

复制代码
/* 静态声明一个tasklet */
#define DECLARE_TASKLET(name, func, data) \
struct tasklet_struct name = { NULL, 0, ATOMIC_INIT(0), func, data }

#define DECLARE_TASKLET_DISABLED(name, func, data) \
struct tasklet_struct name = { NULL, 0, ATOMIC_INIT(1), func, data }

/* 动态声明一个tasklet 传递一个tasklet_struct指针给初始化函数 */
extern void tasklet_init(struct tasklet_struct *t,
         void (*func)(unsigned long), unsigned long data);
复制代码
2. 编写处理程序

参照tasklet处理函数的原型来写自己的处理逻辑

void tasklet_handler(unsigned long date)
3. 调度tasklet

中断的上半部处理完后调度tasklet，在适当时候进行下半部的处理

tasklet_schedule(&my_tasklet)  /* my_tasklet就是之前声明的tasklet_struct */

2.3 工作队列
工作队列子系统是一个用于创建内核线程的接口，通过它可以创建一个工作者线程来专门处理中断的下半部工作。

工作队列和tasklet不一样，不是基于软中断来实现的。

缺省的工作者线程名称是 events/n (n对应处理器号)。

通过top命令查看我的单核虚拟机，CentOS系统中的events线程如下：

[root@vbox ~]# top | grep event
7 root    20 0    0 0 0 S  0.0  0.0 0:03.71 events/0

工作队列主要用到下面3个结构体，弄懂了这3个结构体的关系，也就知道工作队列的处理流程了。

复制代码
/* 在 include/linux/workqueue.h 文件中定义 */
struct work_struct {
atomic_long_t data;          /* 这个并不是处理函数的参数，而是表示此work是否pending等状态的flag */
#define WORK_STRUCT_PENDING 0       /* T if work item pending execution */
#define WORK_STRUCT_FLAG_MASK (3UL)
#define WORK_STRUCT_WQ_DATA_MASK (~WORK_STRUCT_FLAG_MASK)
struct list_head entry;       /* 中断下半部处理函数的链表 */
work_func_t func;             /* 处理中断下半部工作的函数 */
#ifdef CONFIG_LOCKDEP
struct lockdep_map lockdep_map;
#endif
};

/* 在 kernel/workqueue.c文件中定义
* 每个工作者线程对应一个 cpu_workqueue_struct ，其中包含要处理的工作的链表
* (即 work_struct 的链表，当此链表不空时，唤醒工作者线程来进行处理)
*/
/*
* The per-CPU workqueue (if single thread, we always use the first
* possible cpu).
*/
struct cpu_workqueue_struct {

spinlock_t lock;                /* 锁保护这种结构 */

struct list_head worklist;       /* 工作队列头节点 */
wait_queue_head_t more_work;
struct work_struct *current_work;

struct workqueue_struct *wq;    /* 关联工作队列结构 */
struct task_struct *thread;       /* 关联线程 */
} ____cacheline_aligned;

/* 也是在 kernel/workqueue.c 文件中定义的
* 每个 workqueue_struct 表示一种工作者类型，系统默认的就是 events 工作者类型
* 每个工作者类型一般对应n个工作者线程，n就是处理器的个数
*/
/*
* The externally visible workqueue abstraction is an array of
* per-CPU workqueues:
*/
struct workqueue_struct {
struct cpu_workqueue_struct *cpu_wq;  /* 工作者线程 */
struct list_head list;
const char *name;
int singlethread;
int freezeable;       /* Freeze threads during suspend */
int rt;
#ifdef CONFIG_LOCKDEP
struct lockdep_map lockdep_map;
#endif
};

使用工作者队列的方法见下图：

① 创建推后执行的工作 - 有静态创建和动态创建2种方法

复制代码
/* 静态创建一个work_struct
* @n - work_struct结构体，不用事先定义
* @F - 下半部处理函数
*/
#define DECLARE_WORK(n, f)                   \
struct work_struct n = __WORK_INITIALIZER(n, f)

/* 动态创建一个 work_struct
* @_work - 已经定义好的一个 work_struct
* @_func - 下半部处理函数
*/
#ifdef CONFIG_LOCKDEP
#define INIT_WORK(_work, _func)                      \
do {                               \
      static struct lock_class_key __key;          \
                                 \
      (_work)->data = (atomic_long_t) WORK_DATA_INIT(); \
      lockdep_init_map(&(_work)->lockdep_map, #_work, &__key, 0);\
      INIT_LIST_HEAD(&(_work)->entry);          \
      PREPARE_WORK((_work), (_func));             \
} while (0)
#else
#define INIT_WORK(_work, _func)                      \
do {                               \
      (_work)->data = (atomic_long_t) WORK_DATA_INIT(); \
      INIT_LIST_HEAD(&(_work)->entry);          \
      PREPARE_WORK((_work), (_func));             \
} while (0)
#endif
复制代码
工作队列处理函数的原型：

typedef void (*work_func_t)(struct work_struct *work);

② 刷新现有的工作，这个步骤不是必须的，可以直接从第①步直接进入第③步

刷新现有工作的意思就是在追加新的工作之前，保证队列中的已有工作已经执行完了。

复制代码
/* 刷新系统默认的队列，即 events 队列 */
void flush_scheduled_work(void);

/* 刷新用户自定义的队列
* @wq - 用户自定义的队列
*/
void flush_workqueue(struct workqueue_struct *wq);
复制代码

③ 调度工作 - 调度新定义的工作，使之处于等待处理器执行的状态

复制代码
/* 调度第一步中新定义的工作，在系统默认的工作者线程中执行此工作
* @work - 第一步中定义的工作
*/
schedule_work(struct work_struct *work);

/* 调度第一步中新定义的工作，在系统默认的工作者线程中执行此工作
* @work  - 第一步中定义的工作
* @delay - 延迟的时钟节拍
*/
int schedule_delayed_work(struct delayed_work *work, unsigned long delay);

/* 调度第一步中新定义的工作，在用户自定义的工作者线程中执行此工作
* @wq - 用户自定义的工作队列类型
* @work - 第一步中定义的工作
*/
int queue_work(struct workqueue_struct *wq, struct work_struct *work);

/* 调度第一步中新定义的工作，在用户自定义的工作者线程中执行此工作
* @wq - 用户自定义的工作队列类型
* @work  - 第一步中定义的工作
* @delay - 延迟的时钟节拍
*/
int queue_delayed_work(struct workqueue_struct *wq,
         struct delayed_work *work, unsigned long delay);
复制代码

3. 总结中断下半部的实现
下面对实现中断下半部工作的3种机制进行总结，便于在实际使用中决定使用哪种机制

下半部机制	上下文	复杂度	执行性能	顺序执行保障
软中断	中断	高 8 Z% H; X, p# {0 T# a: B (需要自己确保软中断的执行顺序及锁机制)	好 d, v. s+ J0 k+ Z4 P (全部自己实现，便于调优)	没有
tasklet	中断	中 ' \( X. v6 {' B (提供了简单的接口来使用软中断)	中	同类型不能同时执行
工作队列	进程	低 , w5 p( \|3 O0 z! \5 X F(在进程上下文中运行，与写用户程序差不多)	差	没有 $ J" `, Y6 y9 }2 E: I(和进程上下文一样被调度)

4. 中断实现示例
4.1 软中断的实现
本来想用内核模块的方法来测试一下软中断的流程，但是编译时发现软中断注册函数(open_softirq)和触发函数(raise_softirq)

并没有用EXPORT_SYMBOL导出，所以自定义的内核模块中无法使用。

测试的代码如下：

复制代码
#include <linux/interrupt.h>
#include "kn_common.h"

MODULE_LICENSE("Dual BSD/GPL");

static void my_softirq_func(struct softirq_action*);

static int testsoftirq_init(void)
{
// 注册softirq，这里注册的是定时器的下半部
open_softirq(TIMER_SOFTIRQ, my_softirq_func);

// 触发softirq
raise_softirq(TIMER_SOFTIRQ);

return 0;

}

static void testsoftirq_exit(void)
{
printk(KERN_ALERT "*************************\n");
print_current_time(0);
printk(KERN_ALERT "testrbtree is exited!\n");
printk(KERN_ALERT "*************************\n");

}

static void my_softirq_func(struct softirq_action* act)
{
printk(KERN_ALERT "=========================\n");
print_current_time(0);
printk(KERN_ALERT "my softirq function is been called!....\n");
printk(KERN_ALERT "=========================\n");
}

module_init(testsoftirq_init);
module_exit(testsoftirq_exit);

由于内核没有用EXPORT_SYMBOL导出open_softirq和raise_softirq函数，所以编译时有如下警告：

WARNING: "open_softirq" [/root/chap08/mysoftirq.ko] undefined!
WARNING: "raise_softirq" [/root/chap08/mysoftirq.ko] undefined!
注：编译用的系统时centos6.3 (uname -r结果 - 2.6.32-279.el6.x86_64)

没办法，只能尝试修改内核代码(将open_softirq和raise_softirq用EXPORT_SYMBOL导出)，再重新编译内核，然后再尝试能否测试软中断。

主要修改2个文件，(既然要修改代码，干脆加了一种软中断类型)：

复制代码
/* 修改 kernel/softirq.c */
// ... 略 ...
char *softirq_to_name[NR_SOFTIRQS] = {
"HI", "TIMER", "NET_TX", "NET_RX", "BLOCK", "BLOCK_IOPOLL",
"TASKLET", "SCHED", "HRTIMER",  "RCU", "WYB"
};  /* 追加了一种新的softirq，即 "WYB"，我名字的缩写 ^_^ */

// ... 略 ...

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

local_irq_save(flags);
raise_softirq_irqoff(nr);
local_irq_restore(flags);
}
EXPORT_SYMBOL(raise_softirq); /* 追加的代码 */

void open_softirq(int nr, void (*action)(struct softirq_action *))
{
softirq_vec[nr].action = action;
}
EXPORT_SYMBOL(open_softirq); /* 追加的代码 */

// ... 略 ...

/* 还修改了 include/linux/interrupt.h */
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 */

WYB_SOFTIRQS, /* 追加的一种中断类型 */
NR_SOFTIRQS
};
复制代码
重新编译内核后，在新的内核上再次实验软中断代码：

测试软中断的代码：testsoftirq.c

复制代码
#include <linux/interrupt.h>
#include "kn_common.h"

MODULE_LICENSE("Dual BSD/GPL");

static void my_softirq_func(struct softirq_action*);

static int testsoftirq_init(void)
{
printk(KERN_ALERT "interrupt's top half!\n");

// 注册softirq，这里注册的是自定义的软中断类型
open_softirq(WYB_SOFTIRQS, my_softirq_func);

// 触发softirq
raise_softirq(WYB_SOFTIRQS);

return 0;

}

static void testsoftirq_exit(void)
{
printk(KERN_ALERT "*************************\n");
print_current_time(0);
printk(KERN_ALERT "testsoftirq is exited!\n");
printk(KERN_ALERT "*************************\n");

}

static void my_softirq_func(struct softirq_action* act)
{
printk(KERN_ALERT "=========================\n");
print_current_time(0);
printk(KERN_ALERT "my softirq function is been called!....\n");
printk(KERN_ALERT "=========================\n");
}

module_init(testsoftirq_init);
module_exit(testsoftirq_exit);
复制代码

Makefile：

复制代码
obj-m += mysoftirq.o
mysoftirq-objs := testsoftirq.o kn_common.o

#generate the path
CURRENT_PATH:=$(shell pwd)
#the current kernel version number
LINUX_KERNEL:=$(shell uname -r)
#the absolute path
LINUX_KERNEL_PATH:=/usr/src/kernels/$(LINUX_KERNEL)
#complie object
all:
make -C $(LINUX_KERNEL_PATH) M=$(CURRENT_PATH) modules
rm -RF modules.order Module.symvers .*.cmd *.o *.mod.c .tmp_versions *.unsigned
#clean
clean:
rm -rf modules.order Module.symvers .*.cmd *.o *.mod.c *.ko .tmp_versions *.unsigned
复制代码

测试软中断的方法如下：

复制代码
make
insmod mysoftirq.ko
rmmod mysoftirq
dmesg | tail -9

# 运行结果
interrupt's top half!
=========================
2013-4-22 14:4:57
my softirq function is been called!....
=========================
*************************
2013-4-22 14:5:2
testsoftirq is exited!
*************************
复制代码

4.2 tasklet的实现
tasklet的实验用默认的内核即可，我们切换到centos6.3的默认内核(uname -r: 2.6.32-279.el6.x86_64)

从中我们也可以看出，内核之所以没有导出open_softirq和raise_softirq函数，可能还是因为提倡我们尽量用tasklet来实现中断的下半部工作。

tasklet测试代码：testtasklet.c

复制代码
#include <linux/interrupt.h>
#include "kn_common.h"

MODULE_LICENSE("Dual BSD/GPL");

static void my_tasklet_func(unsigned long);

/* mytasklet 必须定义在testtasklet_init函数的外面，否则会出错 */
DECLARE_TASKLET(mytasklet, my_tasklet_func, 1000);

static int testtasklet_init(void)
{
printk(KERN_ALERT "interrupt's top half!\n");

// 如果在这里定义的话，那么 mytasklet是函数的局部变量，
// 后面调度的时候会找不到 mytasklet
// DECLARE_TASKLET(mytasklet, my_tasklet_func, 1000);

// 调度tasklet，处理器会在适当时候执行这个tasklet
tasklet_schedule(&mytasklet);

return 0;

}

static void testtasklet_exit(void)
{
printk(KERN_ALERT "*************************\n");
print_current_time(0);
printk(KERN_ALERT "testtasklet is exited!\n");
printk(KERN_ALERT "*************************\n");

}

static void my_tasklet_func(unsigned long data)
{
printk(KERN_ALERT "=========================\n");
print_current_time(0);
printk(KERN_ALERT "my tasklet function is been called!....\n");
printk(KERN_ALERT "parameter data is %ld\n", data);
printk(KERN_ALERT "=========================\n");
}

module_init(testtasklet_init);
module_exit(testtasklet_exit);
复制代码

Makefile：

复制代码
obj-m += mytasklet.o
mytasklet-objs := testtasklet.o kn_common.o

#generate the path
CURRENT_PATH:=$(shell pwd)
#the current kernel version number
LINUX_KERNEL:=$(shell uname -r)
#the absolute path
LINUX_KERNEL_PATH:=/usr/src/kernels/$(LINUX_KERNEL)
#complie object
all:
make -C $(LINUX_KERNEL_PATH) M=$(CURRENT_PATH) modules
rm -rf modules.order Module.symvers .*.cmd *.o *.mod.c .tmp_versions *.unsigned
#clean
clean:
rm -rf modules.order Module.symvers .*.cmd *.o *.mod.c *.ko .tmp_versions *.unsigned
复制代码

测试tasklet的方法如下：

复制代码
make
insmod mytasklet.ko
rmmod mytasklet
dmesg | tail -10

# 运行结果
interrupt's top half!
=========================
2013-4-22 14:53:14
my tasklet function is been called!....
parameter data is 1000
=========================
*************************
2013-4-22 14:53:20
testtasklet is exited!
*************************
复制代码

4.3 工作队列的实现
workqueue的例子的中静态定义了一个工作，动态定义了一个工作。

静态定义的工作由系统工作队列（events/n）调度，

动态定义的工作由自定义的工作队列（myworkqueue）调度。

测试工作队列的代码：testworkqueue.c

复制代码
#include <linux/workqueue.h>
#include "kn_common.h"

MODULE_LICENSE("Dual BSD/GPL");

static void my_work_func(struct work_struct *);
static void my_custom_workqueue_func(struct work_struct *);

/* 静态创建一个工作，使用系统默认的工作者线程，即 events/n */
DECLARE_WORK(mywork, my_work_func);

static int testworkqueue_init(void)
{
/*自定义的workqueue */
struct workqueue_struct *myworkqueue = create_workqueue("myworkqueue");

/* 动态创建一个工作 */
struct work_struct *mywork2;
mywork2 = kmalloc(sizeof(struct work_struct), GFP_KERNEL);
INIT_WORK(mywork2, my_custom_workqueue_func);

printk(KERN_ALERT "interrupt's top half!\n");

/* 刷新系统默认的队列 */
flush_scheduled_work();
/* 调度工作 */
schedule_work(&mywork);

/* 刷新自定义的工作队列 */
flush_workqueue(myworkqueue);
/* 调度自定义工作队列上的工作 */
queue_work(myworkqueue, mywork2);

return 0;
}

static void testworkqueue_exit(void)
{
printk(KERN_ALERT "*************************\n");
print_current_time(0);
printk(KERN_ALERT "my workqueue test is exited!\n");
printk(KERN_ALERT "*************************\n");

}

static void my_work_func(struct work_struct *work)
{
printk(KERN_ALERT "=========================\n");
print_current_time(0);
printk(KERN_ALERT "my workqueue function is been called!....\n");
printk(KERN_ALERT "=========================\n");
}

static void my_custom_workqueue_func(struct work_struct *work)
{
printk(KERN_ALERT "=========================\n");
print_current_time(0);
printk(KERN_ALERT "my cutomize workqueue function is been called!....\n");
printk(KERN_ALERT "=========================\n");
kfree(work);
}

module_init(testworkqueue_init);
module_exit(testworkqueue_exit);
复制代码

Makefile:

复制代码
obj-m += myworkqueue.o
myworkqueue-objs := testworkqueue.o kn_common.o

#generate the path
CURRENT_PATH:=$(shell pwd)
#the current kernel version number
LINUX_KERNEL:=$(shell uname -r)
#the absolute path
LINUX_KERNEL_PATH:=/usr/src/kernels/$(LINUX_KERNEL)
#complie object
all:
make -C $(LINUX_KERNEL_PATH) M=$(CURRENT_PATH) modules
rm -rf modules.order Module.symvers .*.cmd *.o *.mod.c .tmp_versions *.unsigned
#clean
clean:
rm -rf modules.order Module.symvers .*.cmd *.o *.mod.c *.ko .tmp_versions *.unsigned
复制代码

测试workqueue的方法如下：

复制代码
make
insmod myworkqueue.ko
rmmod myworkqueue
dmesg | tail -13

# 运行结果
interrupt's top half!

regngfpcb · 发表于 2020-11-30 18:54

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