效能測試必備知識(9)- 深入理解“軟中斷”

小菠蘿測試筆記發表於2020-08-05

做效能測試的必備知識系列,可以看下面連結的文章哦

https://www.cnblogs.com/poloyy/category/1806772.html

 

前言

  • 軟中斷(softirq)導致 CPU 使用率升高也是最常見的一種效能問題
  • 所以軟中斷這個硬骨頭必須啃下去!

 

回憶下什麼是中斷

  • 中斷是系統用來響應硬體裝置請求的一種機制
  • 它會打斷程式的正常排程和執行
  • 然後呼叫核心中的中斷處理程式來響應硬體裝置的請求

 

場景類比,加深印象

比如說你訂了一份外賣,但是不確定外賣什麼時候送到,也沒有別的方法瞭解外賣的進度, 但是,配送員送外賣是不等人的,到了你這兒沒人取的話,就直接走人了;所以你只能苦苦等著,時不時去門口看看外賣送到沒,而不能幹其他事情;不過呢,如果在訂外賣的時候,你就跟配送員約定好,讓他送到後給你打個電話,那你就不用苦苦等待了,就可以去忙別的事情,直到電話一響,接電話、取外賣就可以了、

  • 打電話:其實就是一箇中斷,沒接到電話的時候,你可以做其他的事情
  • 只有接到了電話(也就是發生中斷),你才要進行另一個動作:取外賣

 

中斷的優勢

一種非同步的事件處理機制,可以提高系統的併發處理能力

 

中斷執行時間短

  • 由於中斷處理程式會打斷其他程式的執行,為了減少對正常程式執行排程的影響,中斷處理程式就需要儘可能快地執行
  • 如果中斷要處理的事情很多,中斷服務程式就有可能要執行很長時間

 

中斷處理程式在響應中斷

會臨時關閉中斷。這就會導致上一次中斷處理完成之前,其他中斷都不能響應,也就是說中斷有可能會丟失

 

響應中斷場景類比

假如你訂了 2 份外賣,一份主食和一份飲料,並且是由 2 個不同的配送員來配送。這次你不用時時等待著,兩份外賣都約定了電話取外賣的方式。但是,問題又來了,當第一份外賣送到時,配送員給你打了個長長的電話,商量發票的處理方式。與此同時,第 二個配送員也到了,也想給你打電話。 但是很明顯,因為電話佔線(也就是關閉了中斷響應),第二個配送員的電話是打不通的。 所以,第二個配送員很可能試幾次後就走掉了(也就是丟失了一次中斷

 

軟中斷

中斷處理過程分割

  • 為了解決中斷處理程式執行過長和中斷丟失的問題,Linux 會將中斷處理過程分成兩個階段,也就是上半部和下半部
  • 上半部:快速處理中斷,它在中斷禁止模式下執行,主要處理跟硬體緊密相關的或時間敏感的工作
  • 下半部:延遲處理上半部未完成的工作,通常以核心執行緒的方式執行

 

承上啟下

  • 上面說到的響應中斷場景
  • 上半部就是你接聽電話,告訴配送員你已經知道了,其他事兒見面再說,然後電話就可以結束通話了
  • 下半部才是取外賣的動作,以及見面後商量發票處理的動 作。

 

網路卡接收資料包的栗子

網路卡接收到資料包後,會通過硬體中斷的方式,通知核心有新的資料到了。這時,核心就應該呼叫中斷處理程式來響應它

 

上半部

  1. 快速處理
  2. 首先,要把網路卡的資料讀到記憶體中
  3. 然後,更新一下硬體暫存器的狀態(表示資料已經讀好了)
  4. 最後,再傳送一個軟中斷訊號通知下半部做進一步的處理

 

下半部

  1. 被軟中斷訊號喚醒
  2. 需要從記憶體中找到網路資料,再按照網路協議棧,對資料進行逐層解析和處理,直到把它送給應用程式

 

總結

上半部

  • 直接處理硬體請求,也就是硬中斷
  • 特點:快速執行
  • 會打斷 CPU 正在執行的任務,然後立即執行中斷處理程式

 

下半部

  • 核心觸發,也就是軟中斷
  • 特點:延遲執行
  • 以核心執行緒的方式執行,並且每個 CPU 都對應一個軟中斷核心執行緒,名字為 “ksoftirqd/CPU 編號”,比如說, 0 號 CPU 對應的軟中斷核心執行緒的名字就是 ksoftirqd/0
  • 不只包括了硬體裝置中斷處理程式的下半部,一些核心自定義的事件也屬於軟中斷,網路收發、定時、排程、RCU 鎖等各種型別
  • 核心排程和 RCU 鎖(Read-Copy Update), RCU 是 Linux 核心中最常用的鎖之一

 

檢視軟中斷和核心執行緒

proc 檔案系統

它是一種核心空間和使用者空間進行通訊的機制,可以用來檢視核心的資料結構,或者用來動態修改核心的配置

  •  /proc/softirqs :提供了軟中斷的執行情況
  •  /proc/interrupts :提供了硬中斷的執行情況

 

檢視軟中斷檔案內容

$ cat /proc/softirqs
CPU0 CPU1
HI: 0 0
TIMER: 811613 1972736
NET_TX: 49 7
NET_RX: 1136736 1506885
BLOCK: 0 0
IRQ_POLL: 0 0
TASKLET: 304787 3691
SCHED: 689718 1897539
HRTIMER: 0 0
RCU: 1330771 1354737

 

注意軟中斷的型別

  • 從第一列可以看出,軟中斷包括了 10 個類別
  • 比如:NET_RX 表示網路接收中斷,而 NET_TX 表示網路傳送中斷

 

注意同一種軟中斷在不同 CPU 上的分佈情況

  • 也就是同一行的內容
  • 正常情況 下,同一種中斷在不同 CPU 上的累積次數應該差不多
  • 比如:上面的,NET_RX 在 CPU0 和 CPU1 上的中斷次數基本是同一個數量級,相差不大

 

TASKLET

  • TASKLET 在不同 CPU 上的分佈並不均勻
  • TASKLET 是最常用的軟中斷實現機制,每個 TASKLET 只執行一次就會結束 ,並且只在呼叫它的函式所在的 CPU 上執行
  • 存在的問題: 由於只在一個 CPU 上執行導致的排程不均衡,再比如因為不能在多個 CPU 上並行執行帶來了效能限制

 

檢視軟中斷執行緒

ps aux | grep softirq

  • 注意,這些執行緒的名字外面都有中括號,這說明 ps 無法獲取它們的命令列引數 (cmline)
  • 一般來說,ps 的輸出中,名字括在中括號裡的,一般都是核心執行緒

 

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