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软中断

老牧童 • • 未分类 • 阅读 148

软中断中断中断是系统用来响应硬件设备请求的一种机制，它会打断进程的正常调度和执行，然后调用内核中的中断处理程序来响应设备的请求。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

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中断

中断是系统用来响应硬件设备请求的一种机制，它会打断进程的正常调度和执行，然后调用内核中的中断处理程序来响应设备的请求。

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。

举个例子：你订了 2 份外卖，一份主食和一份饮料，并且是由2个不同的配送员来配送。这次你不用时时等待着，两份外卖都约定了电话取外卖的方式。但是，问题又来了。当第一份外卖送到时，配送员给你打了个长长的电话，商量发票的处理方式。与此同时，第二个配送员也到了，也想给你打电话。但是很明显，因为电话占线（也就是关闭了中断响应），第二个配送员的电话是打不通的。所以，第二个配送员很可能试几次后就走掉了（也就是丢失了一次中断）。

 

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。

举个例子：比如说前面取外卖的例子，上半部就是你接听电话，告诉配送员你已经知道了，其他事儿见面再说，然后电话就可以挂断了；下半部才是取外卖的动作，以及见面后商量发票处理的动作。这样，第一个配送员不会占用你太多时间，当第二个配送员过来时，照样能正常打通你的电话。

这两个阶段可以这样理解：

  • 上半部直接处理硬件请求，也就是常说的硬中断，特点是快速执行；
  • 下半部则是由内核触发，也就是常说的软中断，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

/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：

1 cat /proc/softirqs

在查看 /proc/softirqs 文件内容时，要特别注意以下这两点。
第一，要注意软中断的类型，软中断包括了10个类别，分别对应不同的工作类型。

  • HI:
  • TIMER:
  • NET_TX:
  • NET_RX:
  • BLOCK:
  • IRQ_POLL:
  • TASKLET:
  • SCHED:
  • HRTIMER:
  • RCU:

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。

不过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，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。
使用 ps 命令就可以做到查看这些线程的运行状况，比如执行下面的指令：

1 ps aux | grep softirq

软中断

Note：

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。

 

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。

在 Linux 中，每个 CPU 都对应一个软中断内核线程，名字是 ksoftirqd/CPU编号。当软中断事件的频率过高时，内核线程也会因为CPU 使用率过高而导致软中断处理不及时，进而引发网络收发延迟、调度缓慢等性能问题。

软中断 CPU 使用率过高也是一种最常见的性能问题。虽然软中断的类型很多，但实际生产中，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。在碰到这类问题时，可以借用 sar、tcpdump 等工具，做进一步分析。

 

Reference

https://time.geekbang.org/column/article/71868

 

分析案例

 安装docker、sysstat、sar 、hping3、tcpdump 等工具

用到了三个工具，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。

两台机器：192.168.10.16跑nginx与PHP应用；192.168.10.18跑hping3

docker run -itd --name=nginx -p 80:80 nginx

检查是否正常

$ curl http://192.168.10.16/
<!DOCTYPE html>
<html>
<head>
<title>Welcome to nginx!</title>
...

在第二个终端，我们运行 hping3 命令，来模拟 Nginx 的客户端请求

# -S参数表示设置TCP协议的SYN（同步序列号），-p表示目的端口为80
# -i u100表示每隔100微秒发送一个网络帧
# 注：如果你在实践过程中现象不明显，可以尝试把100调小，比如调成10甚至1
$ hping3 -S -p 80 -i u1 192.168.10.16

第一个终端运行 top 命令，看一下系统整体的资源使用情况。

# top运行后按数字1切换到显示所有CPU
$ top
top - 10:50:58 up 1 days, 22:10,  1 user,  load average: 0.00, 0.00, 0.00
Tasks: 122 total,   1 running,  71 sleeping,   0 stopped,   0 zombie
%Cpu0  :  0.0 us,  0.0 sy,  0.0 ni, 96.7 id,  0.0 wa,  0.0 hi,  3.3 si,  0.0 st
%Cpu1  :  0.0 us,  0.0 sy,  0.0 ni, 95.6 id,  0.0 wa,  0.0 hi,  4.4 si,  0.0 st
...
 
  PID USER      PR  NI    VIRT    RES    SHR S  %CPU %MEM     TIME+ COMMAND
    7 root      20   0       0      0      0 S   0.3  0.0   0:01.64 ksoftirqd/0
   16 root      20   0       0      0      0 S   0.3  0.0   0:01.97 ksoftirqd/1
 2663 root      20   0  923480  28292  13996 S   0.3  0.3   4:58.66 docker-containe
 3699 root      20   0       0      0      0 I   0.3  0.0   0:00.13 kworker/u4:0
 3708 root      20   0   44572   4176   3512 R   0.3  0.1   0:00.07 top
    1 root      20   0  225384   9136   6724 S   0.0  0.1   0:23.25 systemd
    2 root      20   0       0      0      0 S   0.0  0.0   0:00.03 kthreadd
...

 

平均负载全是 0，就绪队列里面只有一个进程（1 running）。每个 CPU 的使用率都挺低，最高的 CPU1 的使用率也只有 4.4%，并不算高。再看进程列表，CPU 使用率最高的进程也只有 0.3%，还是不高呀。

仔细看 top 的输出，两个 CPU 的使用率虽然分别只有 3.3% 和 4.4%，但都用在了软中断上；而从进程列表上也可以看到，CPU 使用率最高的也是软中断进程 ksoftirqd。看起来，软中断有点可疑了。

 软中断可能有问题， proc 文件系统。观察 /proc/softirqs 文件的内容，就能知道各种软中断类型的次数。

不过，这里的各类软中断次数，它是系统运行以来的累积中断次数。所以我们直接查看文件内容，得到的只是累积中断次数，对这里的问题并没有直接参考意义。因为，这些中断次数的变化速率才是需要关注的。

watch 命令，就可以定期运行一个命令来查看输出；如果再加上 -d 参数，还可以高亮出变化的部分，从高亮部分我们就可以直观看出，哪些内容变化得更快。

watch -d cat /proc/softirqs
                   CPU0       CPU1
         HI:          0          0
      TIMER:    1083906    2368646
     NET_TX:         53          9
     NET_RX:    1550643    1916776
      BLOCK:          0          0
   IRQ_POLL:          0          0
    TASKLET:     333637       3930
      SCHED:     963675    2293171
    HRTIMER:          0          0
        RCU:    1542111    1590625

 

通过 /proc/softirqs 文件内容的变化情况，你可以发现， TIMER（定时中断）、NET_RX（网络接收）、SCHED（内核调度）、RCU（RCU 锁）等这几个软中断都在不停变化。其中，NET_RX，也就是网络数据包接收软中断的变化速率最快。而其他几种类型的软中断，是保证 Linux 调度、时钟和临界区保护这些正常工作所必需的，所以它们有一定的变化倒是正常的。那么接下来，就从网络接收的软中断着手，继续分析。既然是网络接收的软中断，第一步应该就是观察系统的网络接收情况。sar  可以用来查看系统的网络收发情况，还有一个好处是，不仅可以观察网络收发的吞吐量（BPS，每秒收发的字节数），还可以观察网络收发的 PPS，即每秒收发的网络帧数。第一个终端中运行 sar 命令，并添加 -n DEV 参数显示网络收发的报告：

# -n DEV 表示显示网络收发的报告，间隔1秒输出一组数据
$ sar -n DEV 1
15:03:46        IFACE   rxpck/s   txpck/s    rxkB/s    txkB/s   rxcmp/s   txcmp/s  rxmcst/s   %ifutil
15:03:47         eth0  12607.00   6304.00    664.86    358.11      0.00      0.00      0.00      0.01
15:03:47      docker0   6302.00  12604.00    270.79    664.66      0.00      0.00      0.00      0.00
15:03:47           lo      0.00      0.00      0.00      0.00      0.00      0.00      0.00      0.00
15:03:47    veth9f6bbcd   6302.00  12604.00    356.95    664.66      0.00      0.00      0.00      0.05

　对于 sar 的输出界面

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。

后面的其他参数基本接近 0，显然跟今天的问题没有直接关系，可以先忽略掉。

对网卡 eth0 来说，每秒接收的网络帧数比较大，达到了 12607，而发送的网络帧数则比较小，只有 6304；每秒接收的千字节数只有 664 KB，而发送的千字节数更小，只有 358 KB。docker0 和 veth9f6bbcd 的数据跟 eth0 基本一致，只是发送和接收相反，发送的数据较大而接收的数据较小。这是 Linux 内部网桥转发导致的，你暂且不用深究，只要知道这是系统把 eth0 收到的包转发给 Nginx 服务即可。

既然怀疑是网络接收中断的问题，还是重点来看 eth0 ：接收的 PPS 比较大，达到 12607，而接收的 BPS 却很小，只有 664 KB。直观来看网络帧应该都是比较小的，我们稍微计算一下，664*1024/12607 = 54 字节，说明平均每个网络帧只有 54 字节，这显然是很小的网络帧，也就是通常所说的小包问题。

使用 tcpdump 抓取 eth0 上的包就可以了。 Nginx 监听在 80 端口，它所提供的 HTTP 服务是基于 TCP 协议的，所以可以指定 TCP 协议和 80 端口精确抓包。

接下来，第一个终端中运行 tcpdump 命令，通过 -i eth0 选项指定网卡 eth0，并通过 tcp port 80 选项指定 TCP 协议的 80 端口：

# -i eth0 只抓取eth0网卡，-n不解析协议名和主机名
# tcp port 80表示只抓取tcp协议并且端口号为80的网络帧
[root@linux-xingnengyouhua ~]# tcpdump -i eth0 -n tcp port 80
tcpdump: verbose output suppressed, use -v or -vv for full protocol decode
listening on eth0, link-type EN10MB (Ethernet), capture size 262144 bytes
10:48:43.005197 IP 192.168.10.18.59682 > 192.168.10.16.http: Flags [S], seq 662979361, win 512, length 0
10:48:43.005218 IP 192.168.10.18.59683 > 192.168.10.16.http: Flags [S], seq 781851836, win 512, length 0

 

192.168.10.18.59682 > 192.168.10.16.80  ，表示网络帧从 192.168.10.18 的 59682端口发送到 192.168.10.16 的 80 端口，也就是从运行 hping3 机器的 59682端口发送网络帧，目的为 Nginx 所在机器的 80 端口。Flags [S] 则表示这是一个 SYN 包。

再加上前面用 sar 发现的， PPS 超过 12000 的现象，现在可以确认，这就是从 192.168.10.18 这个地址发送过来的 SYN FLOOD 攻击。

从系统的软中断使用率高这个现象出发，通过观察 /proc/softirqs 文件的变化情况，判断出软中断类型是网络接收中断；再通过 sar 和 tcpdump  ，确认这是一个 SYN FLOOD 问题。SYN FLOOD 问题最简单的解决方法，就是从交换机或者硬件防火墙中封掉来源 IP，这样 SYN FLOOD 网络帧就不会发送到服务器中。

 

 

附：

软中断

软中断

软中断

软中断

 

参考以下链接：

原文链接：软中断

原文链接：https://www.cnblogs.com/rdchenxi/p/13552582.html

原文链接：https://www.zouhl.com/posts/linux%E4%B8%8B%E5%B8%B8%E8%A7%81%E7%9A%84%E7%B3%BB%E7%BB%9F%E9%97%AE%E9%A2%98%E5%88%86%E6%9E%90-%E4%B8%AD%E6%96%AD/

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