深入探究Linux中断机制及其对用户程序的影响(linux中断用户程序)

在计算机系统中，中断是一种机制，用于让操作系统或硬件在执行时把控制权归还给处理器。Linux作为一种开源的操作系统，它的中断机制也是必不可少的。本文将深入探究Linux中断机制以及它对用户程序的影响。

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一、什么是Linux中断机制

Linux中断机制，顾名思义，是指Linux系统处理外部中断的机制。当Linux运行时，框架程序将CPU交由用户态程序或内核程序进行执行，但在一定的时间内，硬件或内核需要向CPU发出请求执行的信号，称为中断请求，简称中断。在Linux系统中，中断分为软中断和硬中断。

硬件中断是由外部设备通知CPU执行，被称为外部中断。例如，当一个用户使用键盘输入文本时，这个输入就是一个中断信号，Linux系统需要将这个输入信号放入缓存中进行处理。

另一种中断为软中断，是由系统自身产生的，通常由内核使用以处理各种异步事件。例如，网络协议的接收器会通过软中断处理收到的每个数据包。软中断事件通常是内核特定任务的方式。

二、Linux中断机制如何影响用户程序

在Linux系统中，中断机制常常影响用户程序的运行，因为中断的处理需要一定的时间和系统资源。当中断请求被CPU处理时，CPU必须立即终止当前操作并执行相应的中断处理程序。这会导致用户程序被挂起，无法立即执行下一条指令。这个时间延迟可能会导致一些计算延迟和性能下降。

但是，中断机制对系统的优化也很显著。当Linux内核收到中断请求时，它可以用优先级来快速响应请求。这使得Linux系统可以在主处理器无能为力的情况下并行处理多个任务。这就是多任务操作系统的基本原理。多任务操作系统使用抢占式调度程序，可以立即停止当前进程并切换到其他进程。这也是一个高效利用系统资源的方法。

三、如何优化Linux中断机制以提高系统性能

要优化Linux中断处理机制以提高系统性能，可以采取以下措施：

1. 禁用不必要的中断

可以通过将不必要的设备禁止中断，从而减少需要处理的中断次数。例如，在PC上，禁用串行端口中断可能会提高性能。

2. 提高中断处理程序的优先级

可以使用IRQ线程或软中断处理程序来代替顶层中断处理程序，以提高中断处理程序的优先级，从而加快中断的响应速度。

3. 缩短中断处理程序的执行时间

可以使用各种技术，如DMA从设备读取数据而不是CPU，以提高中断处理程序的执行时间并缩短中断的处理时间。

综上所述，在实际的操作中，优化Linux中断机制可以显着提高系统性能。但是，需要结合具体情况进行调整和优化。更好的选择是在必要时启用这些优化，以保持系统的稳定性和安全性。

总体而言，Linux中断机制可以高效地处理来自外部的信号和异步操作。优化Linux中断处理机制对于系统的性能和稳定性非常重要。因此，在使用Linux系统时，了解Linux中断的概念和处理机制，可以帮助提高系统的性能并防止出现各种错误。

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Linux-怎么理解软中断

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设备的请求。

你可能要问了，为什么要有中断呢？我可以举个生活中的例子，让感受一下中断的魅力。

比如你订了一份外卖，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，那你就不用苦苦等待了，就可以去忙别的事情，直到一响，接、取外卖就可以了。

这里的“打电首返宴话”，其实就是一个中断。没接到的时候，你可以做其他的事情；只有接到了者银（也就是发生中断），你才要进行另一个动作：取外卖。

这个例子你就可以发现，

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。

由于中断处理程序会打断其他进程的运行，所以，

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。

如果中断本身要做的事情不多，那么处理起来也不会有太大问题；但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。

特别是，中断处理程序在响应中断时，还会临时关闭中断。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。

那么还是以取外卖为例。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，两份外卖都约定了取外卖的方式。但是，问题又来了。

当之一份外卖送到时，配送员给你打了个长长的，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。

但是很明显，因为占线（也就是关闭了中断响应），第二个配送员的是打不通的。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）。

如果你弄清楚了“取外卖”的模式，那对系统的中断机制就很容易理解了。事实上，为了解决中断处理程序执行过长和中断丢失的问题，Linux 将中断处理过程分成了两个阶段，也就是

上半部和下半部：

比如说前面取外卖的例子，上半部就是你接听，告诉配送员你已经知道了，其他事儿见面再说，然后就可以挂断了；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。

这样，之一个配送员不会占用你太多时间，当第二个配送员过来时，照样能正常打通你的。

除了取外卖，我再举个最常见的网卡接收数据包的例子，让你更好地理解。

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。你可以自己先想一下，这种情况下的上半部和下半部分别世扒负责什么工作呢？

对上半部来说，既然是快速处理，其实就是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（表示数据已经读好了），最后再发送一个

软中断

信号，通知下半部做进一步的处理。

而下半部被软中断信号唤醒后，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。

所以，这两个阶段你也可以这样理解：

实际上，上半部会打断 CPU 正在执行的任务，然后立即执行中断处理程序。而下半部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。

不过要注意的是，软中断不只包括了刚刚所讲的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，比如内核调度和 RCU 锁（Read-Copy Update 的缩写，RCU 是 Linux 内核中最常用的锁之一）等。

不知道你还记不记得，前面提到过的 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。其中：

运行下面的命令，查看 /proc/softirqs 文件的内容，你就可以看到各种类型软中断在不同 CPU 上的累积运行次数：

在查看 /proc/softirqs 文件内容时，你要特别注意以下这两点。

之一，要注意软中断的类型，也就是这个界面中之一列的内容。从之一列你可以看到，软中断包括了 10 个类别，分别对应不同的工作类型。比如 NET_RX 表示网络接收中断，而 NET_TX 表示网络发送中断。

第二，要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。比如这个界面中，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。

不过你可能发现，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。

因此，使用 TASKLET 特别简便，当然也会存在一些问题，比如说由于只在一个 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。

另外，刚刚提到过，软中断实际上是以内核线程的方式运行的，每个 CPU 都对应一个软中断内核线程，这个软中断内核线程就叫做 ksoftirqd/CPU 编号。那要怎么查看这些线程的运行状况呢？

其实用 ps 命令就可以做到，比如执行下面的指令：

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。

Linux 中的中断处理程序分为上半部和下半部：

上半部对应硬件中断，用来快速处理中断。

下半部对应软中断，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 来观察软中断的运行情况。

linux中断处理程序使用的堆栈是内核的堆栈吗，在哪里

当然是，进程生成时，会被分配一个task_struct 结构（常说的进程控制块），2.4内核中，在task_struct 结构体上面的7KB空间就是。加上task_struct结构本身(1KB)，进程内核栈共8KB(两个页面 )，不会动态扩展,所以非常有限（你会见到内核代码闷尘纳用”大块”内蚂没存都会kmalloc申请的，就是这个原因）。2.6内核的没注意，不知一样否。详见：《Linux内核源代码情景分析(上)》267页。

为什么会在内核的原因是CPU的保护机制，中断处理需要更高的权限（可能执兄握行硬件相关的操作），故要在0级，不会在用户区的。

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