点个外卖，我把「软中断」搞懂了
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2020-12-23 16:55
不过，大数据杀熟早已是屡见不鲜的事情了，事实上，几乎所有大平台都存在这种现象，没办法，这就是真实的互联网。
刹车，大数据杀熟的话题就说到这了，我们还是回归到今日的技术主题：什么是软中断？。
中断是什么？
先来看看什么是中断？在计算机中，中断是系统用来响应硬件设备请求的一种机制，操作系统收到硬件的中断请求，会打断正在执行的进程，然后调用内核中的中断处理程序来响应请求。
这样的解释可能过于学术了，容易云里雾里，我就举个生活中取外卖的例子。
小林中午搬完砖，肚子饿了，点了份白切鸡外卖，这次我带闪了，没有被某团大数据大熟。虽然平台上会显示配送进度，但是我也不能一直傻傻地盯着呀，时间很宝贵，当然得去干别的事情，等外卖到了配送员会通过「电话」通知我，电话响了，我就会停下手中地事情，去拿外卖。
这里的打电话，其实就是对应计算机里的中断，没接到电话的时候，我可以做其他的事情，只有接到了电话，也就是发生中断，我才会停下当前的事情，去进行另一个事情，也就是拿外卖。
从这个例子，我们可以知道，中断是一种异步的事件处理机制，可以提高系统的并发处理能力。
操作系统收到了中断请求，会打断其他进程的运行，所以中断请求的响应程序，也就是中断处理程序，要尽可能快的执行完，这样可以减少对正常进程运行调度地影响。
而且，中断处理程序在响应中断时，可能还会「临时关闭中断」，这意味着，如果当前中断处理程序没有执行完之前，系统中其他的中断请求都无法被响应，也就说中断有可能会丢失，所以中断处理程序要短且快。
还是回到外卖的例子，小林到了晚上又点起了外卖，这次为了犒劳自己，共点了两份外卖，一份小龙虾和一份奶茶，并且是由不同地配送员来配送，那么问题来了，当第一份外卖送到时，配送员给我打了长长的电话，说了一些杂七杂八的事情，比如给个好评等等，但如果这时另一位配送员也想给我打电话。
很明显，这时第二位配送员因为我在通话中（相当于关闭了中断响应），自然就无法打通我的电话，他可能尝试了几次后就走掉了（相当于丢失了一次中断）。
什么是软中断？
前面我们也提到了，中断请求的处理程序应该要短且快，这样才能减少对正常进程运行调度地影响，而且中断处理程序可能会暂时关闭中断，这时如果中断处理程序执行时间过长，可能在还未执行完中断处理程序前，会丢失当前其他设备的中断请求。
那 Linux 系统为了解决中断处理程序执行过长和中断丢失的问题，将中断过程分成了两个阶段，分别是「上半部和下半部分」。
上半部用来快速处理中断，一般会暂时关闭中断请求，主要负责处理跟硬件紧密相关或者时间敏感的事情。
下半部用来延迟处理上半部未完成的工作，一般以「内核线程」的方式运行。
前面的外卖例子，由于第一个配送员长时间跟我通话，则导致第二位配送员无法拨通我的电话，其实当我接到第一位配送员的电话，可以告诉配送员说我现在下楼，剩下的事情，等我们见面再说（上半部），然后就可以挂断电话，到楼下后，在拿外卖，以及跟配送员说其他的事情（下半部）。
这样，第一位配送员就不会占用我手机太多时间，当第二位配送员正好过来时，会有很大几率拨通我的电话。
再举一个计算机中的例子，常见的网卡接收网络包的例子。
网卡收到网络包后，会通过硬件中断通知内核有新的数据到了，于是内核就会调用对应的中断处理程序来响应该事件，这个事件的处理也是会分成上半部和下半部。
上部分要做到快速处理，所以只要把网卡的数据读到内存中，然后更新一下硬件寄存器的状态，比如把状态更新为表示数据已经读到内存中的状态值。
接着，内核会触发一个软中断，把一些处理比较耗时且复杂的事情，交给「软中断处理程序」去做，也就是中断的下半部，其主要是需要从内存中找到网络数据，再按照网络协议栈，对网络数据进行逐层解析和处理，最后把数据送给应用程序。
所以，中断处理程序的上部分和下半部可以理解为：
上半部直接处理硬件请求，也就是硬中断，主要是负责耗时短的工作，特点是快速执行；
下半部是由内核触发，也就说软中断，主要是负责上半部未完成的工作，通常都是耗时比较长的事情，特点是延迟执行；
还有一个区别，硬中断（上半部）是会打断 CPU 正在执行的任务，然后立即执行中断处理程序，而软中断（下半部）是以内核线程的方式执行，并且每一个 CPU 都对应一个软中断内核线程，名字通常为「ksoftirqd/CPU 编号」，比如 0 号 CPU 对应的软中断内核线程的名字是 ksoftirqd/0
不过，软中断不只是包括硬件设备中断处理程序的下半部，一些内核自定义事件也属于软中断，比如内核调度等、RCU 锁（内核里常用的一种锁）等。
系统里有哪些软中断？
在 Linux 系统里，我们可以通过查看 /proc/softirqs 的 内容来知晓「软中断」的运行情况，以及 /proc/interrupts 的 内容来知晓「硬中断」的运行情况。
接下来，就来简单的解析下 /proc/softirqs 文件的内容，在我服务器上查看到的文件内容如下：
你可以看到，每一个 CPU 都有自己对应的不同类型软中断的累计运行次数，有 3 点需要注意下。
第一点，要注意第一列的内容，它是代表着软中断的类型，在我的系统里，软中断包括了 10 个类型，分别对应不同的工作类型，比如 NET_RX 表示网络接收中断，NET_TX 表示网络发送中断、TIMER 表示定时中断、RCU 表示 RCU 锁中断、SCHED 表示内核调度中断。
第二点，要注意同一种类型的软中断在不同 CPU 的分布情况，正常情况下，同一种中断在不同 CPU 上的累计次数相差不多，比如我的系统里，NET_RX 在 CPU0 、CPU1、CPU2、CPU3 上的中断次数基本是同一个数量级，相差不多。
第三点，这些数值是系统运行以来的累计中断次数，数值的大小没什么参考意义，但是系统的中断次数的变化速率才是我们要关注的，我们可以使用 watch -d cat /proc/softirqs 命令查看中断次数的变化速率。
前面提到过，软中断是以内核线程的方式执行的，我们可以用 ps 命令可以查看到，下面这个就是在我的服务器上查到软中断内核线程的结果：
可以发现，内核线程的名字外面都有有中括号，这说明 ps 无法获取它们的命令行参数，所以一般来说，名字在中括号里到，都可以认为是内核线程。
而且，你可以看到有 4 个 ksoftirqd 内核线程，这是因为我这台服务器的 CPU 是 4 核心的，每个 CPU 核心都对应着一个内核线程。
如何定位软中断 CPU 使用率过高的问题？
要想知道当前的系统的软中断情况，我们可以使用 top 命令查看，下面是一台服务器上的 top 的数据：
上图中的黄色部分 si，就是 CPU 在软中断上的使用率，而且可以发现，每个 CPU 使用率都不高，两个 CPU 的使用率虽然只有 3% 和 4% 左右，但是都是用在软中断上了。
另外，也可以看到 CPU 使用率最高的进程也是软中断 ksoftirqd，因此可以认为此时系统的开销主要来源于软中断。
如果要知道是哪种软中断类型导致的，我们可以使用 watch -d cat /proc/softirqs 命令查看每个软中断类型的中断次数的变化速率。
一般对于网络 I/O 比较高的 Web 服务器，NET_RX 网络接收中断的变化速率相比其他中断类型快很多。
如果发现 NET_RX 网络接收中断次数的变化速率过快，接下里就可以使用 sar -n DEV 查看网卡的网络包接收速率情况，然后分析是哪个网卡有大量的网络包进来。
接着，在通过 tcpdump 抓包，分析这些包的来源，如果是非法的地址，可以考虑加防火墙，如果是正常流量，则要考虑硬件升级等。
总结
为了避免由于中断处理程序执行时间过长，而影响正常进程的调度，Linux 将中断处理程序分为上半部和下半部：
上半部，对应硬中断，由硬件触发中断，用来快速处理中断；
下半部，对应软中断，由内核触发中断，用来异步处理上半部未完成的工作；
Linux 中的软中断包括网络收发、定时、调度、RCU 锁等各种类型，可以通过查看 /proc/softirqs 来观察软中断的累计中断次数情况，如果要实时查看中断次数的变化率，可以使用 watch -d cat /proc/softirqs 命令。
每一个 CPU 都有各自的软中断内核线程，我们还可以用 ps 命令来查看内核线程，一般名字在中括号里面到，都认为是内核线程。
如果在 top 命令发现，CPU 在软中断上的使用率比较高，而且 CPU 使用率最高的进程也是软中断 ksoftirqd 的时候，这种一般可以认为系统的开销被软中断占据了。
这时我们就可以分析是哪种软中断类型导致的，一般来说都是因为网络接收软中断导致的，如果是的话，可以用 sar 命令查看是哪个网卡的有大量的网络包接收，再用 tcpdump 抓网络包，做进一步分析该网络包的源头是不是非法地址，如果是就需要考虑防火墙增加规则，如果不是，则考虑硬件升级等。