Linux preempt_rt补丁如何影响软中断处理？

Linux 内核抢占式实时补丁下 Softirq 处理机制探究

在研究 Linux 内核 preempt_rt 补丁时，我遇到一个有趣的现象：irq_forced_thread_fn 函数竟然被执行了。以网卡为例，我观察到它调用了网卡驱动注册的中断处理函数，最终依次执行了 napi_schedule 和 ___napi_schedule。奇怪的是，在这个过程中，我并没有找到软中断被执行的时机。深入代码后发现，____napi_schedule 仅使用了 __raise_softirq_irqoff 来标记软中断，似乎并没有真正执行软中断处理函数。

这引发了我的思考：软中断究竟是在何时何地被执行的呢？一些书籍提到 ksoftirqd 线程负责处理软中断，但这些书籍的内核并没有打上 preempt_rt 补丁。难道 preempt_rt 补丁对软中断的处理机制进行了改动？

preempt_rt 补丁对软中断的影响

为了解开这些谜团，我们需要深入分析 preempt_rt 补丁对 Linux 内核的影响。

preempt_rt 补丁的目标是提高 Linux 内核的实时性，其核心是降低中断延迟。它对中断处理机制进行了重大调整，将传统的中断处理函数转变为可抢占的线程。

在未打补丁的内核中，软中断通常在硬中断处理函数返回之前被执行。preempt_rt 补丁改变了这一行为。由于硬中断处理函数变成了可抢占的线程，为了避免线程切换开销，软中断的执行被延迟到硬中断线程退出后。

ksoftirqd 线程与软中断处理

延迟执行的软中断是如何被处理的呢？答案就在 ksoftirqd 线程。

ksoftirqd 线程是一个特殊的内核线程，专门负责执行软中断处理函数。当硬中断线程退出后，内核会唤醒 ksoftirqd 线程，使其开始执行被标记的软中断。

ksoftirqd 线程以循环的方式工作：它会检查是否有需要处理的软中断，如果有，则调用相应的软中断处理函数进行处理；如果没有，则进入睡眠状态，等待被唤醒。

软中断执行流程解析

结合以上分析，我们可以梳理出 preempt_rt 补丁下软中断的执行流程：

1. 硬件设备触发中断请求。
2. 内核将中断请求转换为硬中断线程。
3. 硬中断线程执行中断处理函数。
4. 中断处理函数调用 __raise_softirq_irqoff 标记软中断。
5. 硬中断线程退出，唤醒 ksoftirqd 线程。
6. ksoftirqd 线程检查到被标记的软中断。
7. ksoftirqd 线程执行相应的软中断处理函数。

总结

preempt_rt 补丁通过将硬中断处理函数转化为线程，并延迟执行软中断，有效降低了中断延迟，提高了内核的实时性。ksoftirqd 线程作为软中断处理的核心机制，在保证系统实时性的同时，也兼顾了性能和效率。

常见问题

1. 为什么 preempt_rt 补丁要将硬中断处理函数转化为线程？

   将硬中断处理函数转化为线程可以使其被抢占，从而避免高优先级任务被低优先级中断阻塞，进而降低中断延迟，提高系统实时性。

2. 为什么 preempt_rt 补丁下软中断的执行会被延迟？

   在硬中断处理函数中执行软中断会导致线程切换开销，降低系统性能。preempt_rt 补丁将软中断延迟到硬中断线程退出后执行，可以减少线程切换次数，提高系统效率。

3. ksoftirqd 线程是如何被唤醒的？

   当有软中断需要处理时，内核会使用 wake_up_process 函数唤醒 ksoftirqd 线程。

4. ksoftirqd 线程的优先级是怎样的？

   ksoftirqd 线程的优先级高于普通线程，但低于硬中断线程。

5. preempt_rt 补丁对系统性能有什么影响？

   preempt_rt 补丁在提高系统实时性的同时，也会带来一定的性能损耗。这是因为线程切换和同步机制会增加系统开销。