2. 软中断机制

软中断（SoftIRQ）是 Linux 内核中断下半部最基础的机制，也是 Tasklet 和 Workqueue 的底层支撑。理解软中断的定义、类型划分以及注册/触发流程，是掌握整个下半部系统的关键。

2.1 软中断的定义与设计目标

软中断是内核预定义的一组静态中断处理函数，用于处理对时间要求严格、但不需要在硬件中断服务程序（ISR）中完成的任务。其设计目标包括：

• 低延迟：在硬件中断返回后立即执行，减少中断屏蔽时间。
• 可重入性：同一类型的软中断可以在不同 CPU 上并行执行（但同一 CPU 上串行）。
• 优先级区分：通过软中断号（softirq number）决定执行顺序，高优先级软中断优先处理。
• 轻量级：不涉及进程调度，直接在内核线程或中断返回路径中执行。

2.2 软中断的类型

Linux 内核预定义了若干软中断类型，每种类型对应一个优先级编号（编号越小优先级越高）。下表列出了内核中主要的软中断类型及其用途：

2.3 软中断的注册

软中断的注册通过 open_softirq() 函数完成，该函数将软中断编号与处理函数绑定。注册过程在内核初始化阶段完成，驱动模块通常不直接注册软中断。

2.3.1 注册函数原型

void open_softirq(int nr, void (*action)(struct softirq_action *));

• nr：软中断编号（0 ~ NR_SOFTIRQS-1）
• action：处理函数指针，参数为 struct softirq_action *

2.3.2 内核初始化注册示例

以下代码展示了内核在启动过程中如何注册网络接收软中断：

// 文件: kernel/softirq.c (内核初始化路径)
void __init softirq_init(void)
{
    int cpu;

    for_each_possible_cpu(cpu) {
        per_cpu(tasklet_vec, cpu) = NULL;
        per_cpu(tasklet_hi_vec, cpu) = NULL;
    }

    open_softirq(TASKLET_SOFTIRQ, tasklet_action);
    open_softirq(HI_SOFTIRQ, tasklet_hi_action);
}

// 文件: net/core/dev.c (网络子系统初始化)
static int __init net_dev_init(void)
{
    // ...
    open_softirq(NET_TX_SOFTIRQ, net_tx_action);
    open_softirq(NET_RX_SOFTIRQ, net_rx_action);
    // ...
}

// 定义在 include/linux/interrupt.h
struct softirq_action {
    void (*action)(struct softirq_action *);
};

// 全局数组
static struct softirq_action softirq_vec[NR_SOFTIRQS] __cacheline_aligned_in_smp;

2.4 软中断的触发

软中断的触发通过 raise_softirq() 或 raise_softirq_irqoff() 函数实现。触发操作将当前 CPU 的软中断状态位图中对应位置位，并在适当的时候执行处理函数。

2.4.1 触发函数

2.4.2 触发流程

1. 置位软中断状态位：将 __softirq_pending 中对应位设为 1。
2. 检查执行上下文：
   • 如果在硬件中断上下文中，标记 ksoftirqd 唤醒请求。
   • 如果在软中断上下文中，允许嵌套触发。
   • 如果在进程上下文中，直接调用 do_softirq() 尝试执行。
3. 执行时机：
   • 硬件 ISR 返回时（irq_exit() 中调用 invoke_softirq()）。
   • 内核线程 ksoftirqd 被唤醒后执行。
   • 显式调用 do_softirq() 或 local_bh_enable() 时。

2.5 软中断的执行上下文约束

2.6 软中断与 Tasklet 的关系

Tasklet 是基于软中断实现的高层机制，理解两者的关系有助于在实际开发中做出正确选择：