作者：楊沙洲 本文從Linux內核幾種軟中斷機制相互關系和發展沿革入手，分析了這些機制的實現方法，給出了它們的基本用法。 一. 軟中斷概況 軟中斷是利用硬件中斷的概念，用軟件方式進行模擬，實現宏觀上的異步執行效果。很多情況下，軟中斷和"信號"有些類似，同時，軟中斷又是和硬中斷相對應的，"硬中斷是外部設備對CPU的中斷"，"軟中斷通常是硬中斷服務程序對內核的中斷"，"信號則是由內核（或其他進程）對某個進程的中斷"（《Linux內核源代碼情景分析》第三章）。軟中斷的一種典型應用就是所謂的"下半部"（bottom half），它的得名來自於將硬件中斷處理分離成"上半部"和"下半部"兩個階段的機制：上半部在屏蔽中斷的上下文中運行，用於完成關鍵性的處理動作；而下半部則相對來說並不是非常緊急的，通常還是比較耗時的，因此由系統自行安排運行時機，不在中斷服務上下文中執行。bottom half的應用也是激勵內核發展出目前的軟中斷機制的原因，因此，我們先從bottom half的實現開始。 二. bottom half 在Linux內核中，bottom half通常用"bh"表示，最初用於在特權級較低的上下文中完成中斷服務的非關鍵耗時動作，現在也用於一切可在低優先級的上下文中執行的異步動作。最早的bottom half實現是借用中斷向量表的方式，在目前的2.4.x內核中仍然可以看到： static void (*bh_base[32])(void); /* kernel/softirq.c */ 系統如此定義了一個函數指針數組，共有32個函數指針，采用數組索引來訪問，與此相對應的是一套函數： void init_bh(int nr,void (*routine)(void)); 為第nr個函數指針賦值為routine。 void remove_bh(int nr); 動作與init_bh()相反，卸下nr函數指針。 void mark_bh(int nr); 標志第nr個bottom half可執行了。 由於歷史的原因，bh_base各個函數指針位置大多有了預定義的意義，在v2.4.2內核裡有這樣一個枚舉： enum { TIMER_BH = 0, TQUEUE_BH, DIGI_BH, SERIAL_BH, RISCOM8_BH, SPECIALIX_BH, AURORA_BH, ESP_BH, SCSI_BH, IMMEDIATE_BH, CYCLADES_BH, CM206_BH, JS_BH, MACSERIAL_BH, ISICOM_BH }; 並約定某個驅動使用某個bottom half位置，比如串口中斷就約定使用SERIAL_BH，現在我們用得多的主要是TIMER_BH、TQUEUE_BH和IMMEDIATE_BH，但語義已經很不一樣了，因為整個bottom half的使用方式已經很不一樣了，這三個函數僅僅是在接口上保持了向下兼容，在實現上一直都在隨著內核的軟中斷機制在變。現在，在2.4.x內核裡，它用的是tasklet機制。 三. task queue 在介紹tasklet之前，有必要先看看出現得更早一些的task queue機制。顯而易見，原始的bottom half機制有幾個很大的局限，最重要的一個就是個數限制在32個以內，隨著系統硬件越來越多，軟中斷的應用范圍越來越大，這個數目顯然是不夠用的，而且，每個bottom half上只能掛接一個函數，也是不夠用的。因此，在2.0.x內核裡，已經在用task queue（任務隊列）的辦法對其進行了擴充，這裡使用的是2.4.2中的實現。 task queue是在系統隊列數據結構的基礎上建成的，以下即為task queue的數據結構，定義在include/linux/tqueue.h中： strUCt tq_struct { struct list_head list; /* 鏈表結構 */ unsigned long sync; /* 初識為0，入隊時原子的置1，以避免重復入隊 */ void (*routine)(void *); /* 激活時調用的函數 */ void *data; /* routine(data) */ }; typedef struct list_head task_queue; 在使用時，按照下列步驟進行： DECLARE_TASK_QUEUE(my_tqueue); /* 定義一個my_tqueue，實際上就是一個以tq_struct為元素的list_head隊列 */ 說明並定義一個tq_struct變量my_task; queue_task(&my_task,&my_tqueue); /* 將my_task注冊到my_tqueue中 */ run_task_queue(&my_tqueue); /* 在適當的時候手工啟動my_tqueue */ 大多數情況下，都沒有必要調用DECLARE_TASK_QUEUE()定義自己的task queue，因為系統已經預定義了三個task queue： tq_timer，由時鐘中斷服務程序啟動； tq_immediate，在中斷返回前以及schedule()函數中啟動； tq_disk，內存管理模塊內部使用。 一般使用tq_immediate就可以完成大多數異步任務了。 run_task_queue(task_queue *list)函數可用於啟動list中掛接的所有task，可以手動調用，也可以掛接在上面提到的bottom half向量表中啟動。以run_task_queue()作為bh_base[nr]的函數指針，實際上就是擴充了每個bottom half的函數句柄數，而對於系統預定義的tq_timer和tq_immediate的確是分別掛接在TQUEUE_BH和IMMEDIATE_BH上（注意，TIMER_BH沒有如此使用，但TQUEUE_BH也是在do_timer()中啟動的），從而可以用於擴充bottom half的個數。此時，不需要手工調用run_task_queue()（這原本就不合適），而只需調用mark_bh(IMMEDIATE_BH)，讓bottom half機制在合適的時候調度它。 四. tasklet 由上看出，task queue以bottom half為基礎；而bottom half在v2.4.x中則以新引入的tasklet為實現基礎。 之所以引入tasklet，最主要的考慮是為了更好的支持SMP，提高SMP多個CPU的利用率：不同的tasklet可以同時運行於不同的CPU上。在它的源碼注釋中還說明了幾點特性，歸結為一點，就是：同一個tasklet只會在一個CPU上運行。 struct tasklet_struct { struct tasklet_struct *next; /* 隊列指針 */ unsigned long state; /* tasklet的狀態，按位操作，目前定義了兩個位的含義： TASKLET_STATE_SCHED（第0位）或TASKLET_STATE_RUN（第1位） */ atomic_t count; /* 引用計數，通常用1表示disabled */ void (*func)(unsigned long); /* 函數指針 */ unsigned long data; /* func(data) */ }; 把上面的結構與tq_struct比較，可以看出，tasklet擴充了一點功能，主要是state屬性，用於CPU間的同步。 tasklet的使用相當簡單： 定義一個處理函數void my_tasklet_func(unsigned long); DECLARE_TASKLET(my_tasklet,my_tasklet_func,data); /* 定義一個tasklet結構my_tasklet，與my_tasklet_func(data)函數相關聯，相當於DECLARE_TASK_QUEUE() */ tasklet_schedule(&my_tasklet); /* 登記my_tasklet，允許系統在適當的時候進行調度運行，相當於queue_task(&my_task,&tq_immediate)和mark_bh(IMMEDIATE_BH) */ 可見tasklet的使用比task queue更簡單，而且，tasklet還能更好的支持SMP結構，因此，在新的2.4.x內核中，tasklet是建議的異步任務執行機制。除了以上提到的使用步驟外，tasklet機制還提供了另外一些調用接口： DECLARE_TASKLET_DISABLED(name,function,data); /* 和DECLARE_TASKLET()類似，不過即使被調度到也不會馬上運行，必須等到enable */ tasklet_enable(struct tasklet_struct *); /* tasklet使能 */ tasklet_disble(struct tasklet_struct *); /* 禁用tasklet，只要tasklet還沒運行，則會推遲到它被enable */ tasklet_init(struct tasklet_struct *,void (*func)(unsigned long),unsigned long); /* 類似DECLARE_TASKLET() */ tasklet_kill(struct tasklet_struct *); /* 清除指定tasklet的可調度位，即不允許調度該tasklet，但不做tasklet本身的清除 */ 前面提到過，在2.4.x內核中，bottom half是利用tasklet機制實現的，它表現在所有的bottom half動作都以一類tasklet的形式運行，這類tasklet與我們一般使用的tasklet不同。 在2.4.x中，系統定義了兩個tasklet隊列的向量表，每個向量對應一個CPU（向量表大小為系統能支持的CPU最大個數，SMP方式下目前2.4.2為32）組織成一個tasklet鏈表： struct tasklet_head tasklet_vec[NR_CPUS] __cacheline_aligned; struct tasklet_head tasklet_hi_vec[NR_CPUS] __cacheline_aligned; 另外，對於32個bottom half，系統也定義了對應的32個tasklet結構： struct tasklet_struct bh_task_vec[32]; 在軟中斷子系統初始化時，這組tasklet的動作被初始化為bh_action(nr)，而bh_action(nr)就會去調用bh_base[nr]的函數指針，從而與bottom half的語義掛鉤。mark_bh(nr)被實現為調用tasklet_hi_schedule(bh_tasklet_vec+nr)，在這個函數中，bh_tasklet_vec[nr]將被掛接在tasklet_hi_vec[cpu]鏈上（其中cpu為當前cpu編號，也就是說哪個cpu提出了bottom half的請求，則在哪個cpu上執行該請求），然後激發HI_SOFTIRQ軟中斷信號，從而在HI_SOFTIRQ的中斷響應中啟動運行。 tasklet_schedule(&my_tasklet)將把my_tasklet掛接到tasklet_vec[cpu]上，激發TASKLET_SOFTIRQ，在TASKLET_SOFTIRQ的中斷響應中執行。HI_SOFTIRQ和TASKLET_SOFTIRQ是softirq子系統中的術語，下一
