浅谈中断
以前每次看到中断，就觉得很神秘，后面随着学习和了解，有了大概的了解，来浅谈下中断。
一 中断的定义
我们来想下，计算机中的各个设备的运行速度差异非常大，特别是CPU和外设，为了整体性能的提升，CPU在工作的时候显然不能停下来等着外部设备操作完毕。比如我们CPU读磁盘文件的时候，不可能等数据读取结束了，而是CPU切换到其他线程上继续执行。
那当外部磁盘完成了读数据之后，一般是将磁盘数据拷贝到内核缓存之后，需要通知CPU，告速它，”嘿，你要的数据准备好了，可以继续了！“ 这种通知机制，就是中断。
磁盘控制器，网络适配器和定时芯片，都可以发生中断，这些芯片通过向CPU的一个管脚发信号，并将异常号放到系统总线上。当CPU执行完毕当前的一条指令后，发现管脚的电压变高了，就从系统总线上读取异常信号，然后调用中断的处理程序，处理完成后返回原来的指令流，继续执行。
这样理解中断，即是将正在执行的指令暂停，执行相关的中断处理程序，有了中断，我们就可以让CPU相应外部的输入。
二 软中断和硬中断
关于软中断和硬中断，极客时间《Linux性能优化和实战》中有一个非常恰当的例子，就是收外卖。
比如你定了一份外卖，你不知道什么时候来，而且没有公共放外卖的地方。如果没有”中断“，那就需要一直门口等着，是不是看看外卖来了没有。
如果你和外卖员约定好，你到小区门口就给我打电话，这样你就可以暂时不管外卖继续做你该做的事情，然后外卖人员到门口给你打电话（发生了中断） ，你就可以下来拿外卖了。所以中断其实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。
这里面，外卖人员给你打电话的时候就相当于发生了中断，接电话的时间相当于中断处理时间，在接电话的时候，如果你同时定了其他外卖，其他外卖人员也给你打电话的时候，你就无法接了这个外卖人员的电话，这就相当于我们在处理中断的时候，同时关闭了中断响应（防止破坏上下文）。
所以中断处理程序必须快，但是有的中断， 需要很长的时间来处理中断，对于这种情况，将中断分成上半部分和下半部分。
- 上半部分，直接处理硬件请求，要求执行速度快，称为硬中断。
- 下半部分，由内核触发，处理中断的下半部分，称为软中断。
比较典型的场景，网络收包的时候，网卡通过DMA技术将网络包反倒内核的ring buffer中，然后发起硬中断，硬中断处理程序从ring buffer取出来，构造sk_buff放入到backlog队列中。更新硬件寄存器状态，同时发出软中断。内核软中断线程遍历到当前的网络软中断，从网络协议栈的底层向上对数据包进行处理，然后把它放进队列中，等应用层程序调用recv处理。
在网络收包的过程中，如果包都是很小的包，又是高吞吐量的环境，导致短时间内有大量的包，显然，会发生大量的硬中断和软中断，这些中断都会占用CPU，限制了网络的吞吐量，对于这种情况linux的NAPI，每次中断时候不只处理一个网络包，而是不断轮询设备队列，直到队列为空。更极端的例子是DPDK这个高性能网络包处理库，则是采用一直轮询的方式来达到不需要中断，快速进行包处理的目的，这也造成了DPDK的轮询模式下CPU占据100%的现象。
三 实践
上次在top命令介绍中，我们可以从top命令中看到软中断和硬中断所占的CPU:
top中的中断显示
查看Linux下软中断情况：
cat /proc/softirqs
查看linux下硬中断情况：
cat /proc/interrupts
如果仅仅这样看，是看不到变化的，可以采用以下命令查看：
watch cat /proc/softirqs
watch cat /proc/interrupts
查看下硬中断：
硬中断
其中：
- 第一列：0，8，9这些代表不同的中断号，系统为不同的请求分配不同的中断号。越小优先级越高。
- 第二列-第五列 表示这个中断在不同cpu上的计数。
- 第六列 可编程中断控制器
- 第七列 设备名
四 网络收包中的中断
网络收包的时候，会发生硬中断和软中断，如果设置不好，也会影响到收包的性能。这种问题可以这样去查：
- 先查看各个cpu的具体占用情况：
[root@localhost ~]# mpstat -P ALL 1
Linux 3.10.0-693.el7.x86_64 (localhost.localdomain) 06/22/2020 _x86_64_ (4 CPU)
11:00:00 PM CPU %usr %nice %sys %iowait %irq %soft %steal %guest %gnice %idle
11:00:01 PM all 2.76 0.00 0.25 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 96.98
11:00:01 PM 0 4.95 0.00 0.99 0.99 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 93.07
11:00:01 PM 1 3.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 97.00
11:00:01 PM 2 1.00 0.00 1.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 98.00
11:00:01 PM 3 2.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 98.00
通过此命令查看irq和soft 即硬中断和软中断在各个cpu占用上是否均衡。
如果irq的不均衡，集中在特定的cpu上，需要查看下具体的硬中断类型。
watch cat /proc/interrupts
通过以上命令，来查看cpu上不同的硬中断的数量上，配合mpstat 命令就知道是哪个中断号引起的了。
假设是44号中断引起的，我们就可以看下 此中断号对应的处理cpu：
[root@localhost ~]# cat /proc/irq/44/smp_affinity
02
通过这个值，我们就可以知道这个中断是在2号cpu上处理的，smp_affinity值哪一位为一，就是标识哪个cpu处理，可以同时被多个cpu处理，这就达到中断均衡的目的。
假如我们先让2个cpu，1号cpu和2号cpu同时处理此中断用以下命令即可达到目的
echo 3> /proc/irq/44/smp_affinity
如果是多个cpu，比如64个，我们先让网络的收包中断均衡到这些cpu上，可以在网上找一个set_irq_affinity 的脚本（找不到可以联系我）执行下面命令,将0，2，4，6等32个cpu绑定到p1p1的中断上。
set_irq_affinity 0,2,4,6,8,10,12,14,16,18,20,22,24,26,28,30,32,34,36,38,40,42,44,46,48,50,52,54,56,58,60,62 p1p1
注意这种指定cpu方式，需要关闭中断自动均衡程序:
service irqbalance stop
service irqbalance status
五诗词欣赏
登科后
- 唐 孟郊
昔日龌龊不足夸，今朝放荡思无涯。
春风得意马蹄疾，一日看尽长安花。
