CPU 明明 8 个核，网卡为啥拼命折腾 1 号核？
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2020-08-02 00:42
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中断机制
我是CPU一号车间的阿Q，我又来了！
我们日常的工作就是不断执行代码指令，不过这看似简单的工作背后其实也并不轻松。
咱不能闷着头啥也不管一个劲的只管执行代码，还得和连接在主板上的其他单位打交道。经常保持联系的有键盘、鼠标、磁盘，哦对，还有网卡，这家伙最近把我惹到了，待会再说这事儿。
原以为内存那家伙已经够慢的了，没想到跟上面这几位通个信比他更慢，咱CPU工厂的时间一刻值千金，不能干等着，耽误工夫。后来厂里一合计，想了个叫中断的办法。
在我们车间装了个大灯，这些单位想联系我们办事儿，就先给我们发一个中断信号，大灯就会自动亮起。我们平时工作执行代码指令的时候，每执行一条指令就会瞅一眼看看大灯有没有亮起来。一旦发现灯亮了，就把手头的工作先放一边，去处理一下。
我们记性很差的，等会处理了完了还得回来接着原来的活继续干，为了等会回来还能接的起来，走之前得把当前执行的这个线程的各个寄存器的值，执行到哪里了等等这些信息都保存在这个线程的栈里去。
不过有时候我们在执行非常重要的事情的时候，就不想被他们打断。于是我们又在车间里那个eflags寄存器中设置了一个标记，如果是1我们才允许被打断，如果是0那就算天王老子找我们也不管了。
哦不对，还有一种不可以屏蔽的中断NMI，走得是绿色通道。不过我可不期望有这种事情发生，因为一般都没有好事，不是电源断电就是温度过高，或者总线出了错误等这之类严重的事情。
8259A PIC
还有一个问题，找我们办事儿的单位有很多，我们得要区分开来，到底是谁来消息了，而且要是他们一起来找，按什么样优先级顺序处理，也是一件头疼的事情。
为此，厂里单独组建了一个全资的子公司来负责这事儿，他就是可编程中断控制器PIC，外号8259A，其他单位想联系我们都得通过这个PIC，我们只需要和PIC进行对接就可以了。
我们给办事单位都分配了一个编号，叫做中断向量。我们还准备了一个表格叫中断描述符表IDT，表格里记录了很多信息，其中就有处理这个中断号对应的函数地址。我们找PIC拿到编号后就执行处理函数就OK了。
这个表格有点大，足足有256项，咱CPU车间空间有限，放不下，就把它放在内存那家伙那里了，为了能快速找到这个表，专门添置了一个叫idtr的寄存器指向这个表格。
其实除了中断，我们在执行指令的时候如果遇到了异常情况，也会去这个表里执行异常处理函数，最常见的比如遇到了除数是0，内存地址错误等等情况。
这种情况下，我们必须主动放下手里的活，去处理异常，所以我们也说异常是同步的，而中断不知道什么时候发生，所以是异步的。
APIC
8259A干的挺不错的，不过后来咱们厂扩大规模，从单核CPU变成了多核，他就有点应付不过来了。
终于有一天，厂里召开会议，把8259A给撤了，成立了一个新的全资子公司叫高级可编程中断控制器APIC，名字就多了个高级两个字，干的活还是一样的。
不过你还别说，这两个字还真不是吹嘘，比8259A不知道高到哪里去了。
这个APIC的新公司一上台，就成立了两个部门，一个叫I/O APIC，负责接待那些要找我们办事儿的单位，一个叫Local APIC，以外包的形式入驻到我CPU的各个车间工作，因为就挨着我们办公，所以取名叫Local。
I/O APIC收到中断信号以后，根据自己的策略就分发到对应的Local APIC，咱们八个车间就可以专心处理了，为我们省了不少事儿。
不仅如此，通过这个外包团队，我们八个车间还能向彼此发起中断请求，我们把这个叫做处理器间中断Inter-Processor Interrupt，简称IPI。
中断亲和性
每当网络中有数据包到来，网卡那家伙就发送一个中断消息过来，告诉我们去处理。
不过最近不知道怎么回事，网络数据量激增。咱们厂里明明有8个车间，他非得一个劲的只给我们发消息，搞得我们手头的工作老是被打断，忙得不可开交。
终于，我忍不住了，去找网卡那家伙理论了一番。不过他告诉我，这也不能怪他，分发给谁处理，那是APIC在负责。
想想也是，回头我就去了APIC那里，要求他们分摊一点给别的车间处理。
APIC表示这他们做不了主，得让厂里来决定。
没过几天，厂里开了个会，参会的有各车间代表、APIC负责人，还请了操作系统那边的相关代表过来。
会上，大家为了此事争执不休。
二号车间虎子：“阿Q，谁叫你们一号车间是Bootstrap Processor，你们就多辛苦一点嘛”
三号车间代表：“你这话说的不合适，大家是一个Team，要互相帮助！要不这样，既然有这么多单位要联系我们，咱就分下工，比如一号车间负责网卡，二号负责磁盘，我们三号负责键盘，以此类推”
五号车间代表：“你想的倒是挺美哦，键盘一天能发多少中断，网卡一天要发多少中断，你净挑轻松的干。这样吧，咱就用随机分发进行负载均衡你们觉得怎么样？”
八号车间代表：“随机个啥啊，多麻烦，依我看呐咱8个车间就轮流来呗”
这时，领导问操作系统代表有没有什么建议。
这代表站起身来，推了推眼镜说到：“几位有没有听过线程的CPU亲和性？”
大家都摇了摇头，问到：“这是个什么意思？”
“就是有些线程想绑定在你们之中的某一个核上面执行，不希望一会儿在这个核执行，一会儿在那个核执行”
我接过他的话：“好像是有这么回事儿，之前有遇到过，有个线程一直被分配到我们一号车间，不过我们对这个不用关心吧，执行谁不是干活啊，对我们都一个样”
代表摇了摇头，“唉，这可不一样！你们每个核的一二级缓存都是自己在管理，要是换到别的核，这缓存多半就没用了，又得重新来建立，这换来换去的岂不是瞎耽误功夫嘛！对于一般的线程他们倒是不关心，但是有些线程执行大量的内存访问和运算处理，又对性能要求很高的话，那就很在意这个问题了”
我们几个都恍然大悟，纷纷点头。
虎子起身问到：“那你们是如何实现这个亲和性的呢？这跟我们今天的会议又有什么关系呢？”
代表继续回答说到：“我先回答你的第一个问题。线程调度是我们操作系统完成的工作，我们提供了API接口，线程通过调用这些接口表明自己的亲和性意愿，我们在调度的时候就能按照他们的意愿把线程分配给你们来执行。”
代表喝了一口水接着说到：“我再回答你的第二个问题。既然线程可以有亲和性，那中断也可以按照这个思路来分发啊！APIC默认有一套分发策略，但是也提供亲和性的设置，可以指定谁哪些核来处理，这样不用把规矩定死，灵活可变，岂不更好？”
刚说完，会议室门口突然出现一年轻少年，挥手将操作系统代表唤了出去。
接下来，我们详细讨论了这种方案的可行性，最后大家一致决定，就照这么办，我们一起提出了一个叫中断亲和性的东西，操作系统那边提供一个可配置的入口smp_affinity，可以通过设置各处理器核的掩码来决定中断交由谁来处理，APIC回去负责落地支持。
有了这套方案，再遇到网络高峰期，咱们一号车间的压力就有办法缓解了。
我们刚刚达成一致，操作系统代表返回会议室，神色凝重的说到：“不好意思各位，操作系统那边有点事情需要赶回去处理一下，先走一步了”
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