性能篇之CPU软硬中断

小璇坨坨 2019-06-10

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进程的不可中断状态是系统的一种保护机制，可以保证硬件的交互过程不被意外打断。所以，短时间的不可中断状态是很正常的。

但是，当进程长时间都处于不可中断状态时，你就得当心了。这时，你可以使用 dstat、pidstat 等工具，确认是不是磁盘 I/O 的问题，进而排查相关的进程和磁盘设备。关于磁盘 I/O 的性能问题，你暂且不用专门去背，我会在后续的 I/O 部分详细介绍，到时候理解了也就记住了。

其实除了 iowait，软中断（softirq）CPU 使用率升高也是最常见的一种性能问题。

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。

软中断

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：

上半部用来快速处理中断，它在中断禁止模式下运行，主要处理跟硬件紧密相关的或时间敏感的工作。

下半部用来延迟处理上半部未完成的工作，通常以内核线程的方式运行。

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：

上半部直接处理硬件请求，也就是我们常说的硬中断，特点是快速执行；

而下半部则是由内核触发，也就是我们常说的软中断，特点是延迟执行。

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。

查看软中断和内核线程

linux系统的 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：

/proc/softirqs 提供了软中断的运行情况；
/proc/interrupts 提供了硬中断的运行情况。

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

[root@master ~]# cat proc/softirqs 
                    CPU0       CPU1       CPU2       CPU3       CPU4       CPU5       CPU6       CPU7       CPU8       CPU9       CPU10      CPU11      CPU12      CPU13      CPU14      
          HI:          0          0          0          0          0          0          0          0          0          0          0          0          0          0          0
       TIMER:   96113359   85326741   77969896   73330774   70522303   68018574   65214688   84090784          0          0          0          0          0          0          0
      NET_TX:      44465    2295627    2451766    2175705    2235388    2126982    1866387   21410338          0          0          0          0          0          0          0
      NET_RX:   70961708   66962875   61960523   57727280   55428648   53203176   51005232  110378429          0          0          0          0          0          0          0
       BLOCK:         39       7385      10611       9816       9140       6357       6307     846220          0          0          0          0          0          0          0
BLOCK_IOPOLL:          0          0          0          0          0          0          0          0          0          0          0          0          0          0          0
     TASKLET:       3300      61771      66054      69608      60031      71439      59730    2187023          0          0          0          0          0          0          0
       SCHED:   64823557   49775960   44065936   41513107   40131203   38759516   37288809   46320093          0          0          0          0          0          0          0
     HRTIMER:          0          0          0          0          0          0          0          0          0          0          0          0          0          0          0
         RCU:   36208965   33416127   31687573   30599525   29933964   51913806   28593560   32734999          0          0          0          0          0          0          0

在查看 proc/softirqs 文件内容时，TIMER（定时中断）、NET_RX（网络接收）、SCHED（内核调度）、RCU（RCU 锁）你要特别注意以下这两点。

第一，要注意软中断的类型，也就是这个界面中第一列的内容。从第一列你可以看到，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 CPU0-7 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？

[root@master ~]# ps aux | grep softirq
root         3  0.0  0.0      0     0 ?        S    May20   0:18 [ksoftirqd/0]
root        15  0.0  0.0      0     0 ?        S    May20   0:14 [ksoftirqd/1]
root        22  0.0  0.0      0     0 ?        S    May20   0:14 [ksoftirqd/2]
root        29  0.0  0.0      0     0 ?        S    May20   0:12 [ksoftirqd/3]
root        36  0.0  0.0      0     0 ?        S    May20   0:12 [ksoftirqd/4]
root        43  0.0  0.0      0     0 ?        S    May20   0:11 [ksoftirqd/5]
root        50  0.0  0.0      0     0 ?        S    May20   0:11 [ksoftirqd/6]
root        57  0.0  0.0      0     0 ?        S    May20   0:56 [ksoftirqd/7]
root     17739  0.0  0.0 112656  2232 pts/0    S+   22:51   0:00 grep --color=auto softirq

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。

检测中断的性能工具

这里用到了三个新工具，sar、 hping3 和 tcpdump，先简单介绍一下：

sar 是一个系统活动报告工具，既可以实时查看系统的当前活动，又可以配置保存和报告历史统计数据。
hping3 是一个可以构造 TCP/IP 协议数据包的工具，可以对系统进行安全审计、防火墙测试等。
tcpdump 是一个常用的网络抓包工具，常用来分析各种网络问题。

[root@bjdfkjy-46-123 ~]# sar -n DEV 1
Linux 3.10.0-514.el7.x86_64 (bjdfkjy-46-123.qbos.com)   06/10/2019      _x86_64_        (32 CPU)
11:01:15 PM     IFACE   rxpck/s   txpck/s    rxkB/s    txkB/s   rxcmp/s   txcmp/s  rxmcst/s
11:01:16 PM      eno1     10.00      6.67      0.93      0.52      0.00      0.00      3.33
11:01:16 PM      eno2      0.00      0.00      0.00      0.00      0.00      0.00      0.00
11:01:16 PM      eno3      0.00      0.00      0.00      0.00      0.00      0.00      0.00
11:01:16 PM      eno4    265.00    228.33    120.59     85.45      0.00      0.00      0.00

对于 sar 的输出界面，我先来简单介绍一下，从左往右依次是：

第一列：表示报告的时间。

第二列：IFACE 表示网卡。

第三、四列：rxpck/s 和 txpck/s 分别表示每秒接收、发送的网络帧数，也就是 PPS。

第五、六列：rxkB/s 和 txkB/s 分别表示每秒接收、发送的千字节数，也就是 BPS。

小结

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。

软中断 CPU 使用率（softirq）升高是一种很常见的性能问题。虽然软中断的类型很多，但实际生产中，我们遇到的性能瓶颈大多是网络收发类型的软中断，特别是网络接收的软中断。

数据库

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