Linux 核心軟中斷深度解析：資料結構、觸發機制與處理流程

軟中斷簡介

將可延遲的處理從硬中斷處理程序中分離，使其在開啟中斷狀態下執行，即為軟中斷。這大幅縮短硬中斷響應時間，對即時應用至關重要。本文基於 Linux Kernel 4.0 深入剖析軟中斷流程細節。

軟中斷資料結構

目前有 10 種軟中斷（由 NR_SOFTIRQS 定義），透過 softirq_vec[NR_SOFTIRQS] 陣列管理，全 CPU 共用。

軟中斷註冊

使用 open_softirq() 將處理函數與編號綁定。網路子系統註冊收發封包處理函數：

open_softirq(NET_TX_SOFTIRQ, net_tx_action);
open_softirq(NET_RX_SOFTIRQ, net_rx_action);

軟中斷啟用機制

每個 CPU 擁有 32-bit 位圖 __softirq_pending 維護本 CPU 的軟中斷啟用狀態：

typedef struct {
    unsigned int __softirq_pending;
    #ifdef CONFIG_SMP
    unsigned int ipi_irqs[NR_IPI];
    #endif
} ____cacheline_aligned irq_cpustat_t;

irq_cpustat_t irq_stat[NR_CPUS] ____cacheline_aligned;

啟用時機一：irq_exit

在 irq_exit 中可能啟用軟中斷，條件為：

if (!in_interrupt() && local_softirq_pending())
    invoke_softirq();

條件含義：不在硬中斷中、不在軟中斷中、本 CPU 位圖有置位。體現硬中斷優先、軟中斷不嵌套原則。invoke_softirq 會喚醒 ksoftirqd 執行緒處理，或直接呼叫 __do_softirq 即時處理（區分當前堆疊或獨立軟中斷堆疊）。即時處理期間禁止搶佔。

啟用時機二：raise_softirq

網卡從非 NAPI 演進到 NAPI，展現軟中斷優勢：將收封包任務最大程度移至軟中斷，極大簡化硬中斷。raise_softirq 呼叫 __raise_softirq_irqoff 在指定 CPU 位圖置位。置位操作需在關中斷下完成以避免競爭。

啟用時機三：ksoftirqd 核心執行緒

每個 CPU 有一個 ksoftirqd 執行緒專門處理大量軟中斷：

DEFINE_PER_CPU(struct task_struct *, ksoftirqd);

核心函數 run_ksoftirqd 循環：關中斷檢查位圖、有則執行 __do_softirq、開中斷。執行前可被搶佔，執行後不可搶佔，與硬中斷處理哲學一致：執行期間不允許排程。

啟用時機四：其他位置（如 netif_rx_ni）

執行 do_softirq 前關搶佔，確保軟中斷執行期間不被排程。

啟用時機五：local_bh_enable

if (unlikely(!in_interrupt() && local_softirq_pending()))
    do_softirq();

異常處理與軟中斷共享資料時，進入臨界區關軟中斷，離開時開啟，此即為一個啟用時機。

「啟用」而非「呼叫」：外圍僅修改本 CPU 位圖，最終由核心機制（ksoftirqd、通過 in_interrupt 檢查的處理）真正處理。原則：誰啟用誰處理，哪個 CPU 的硬中斷帶來的軟中斷由哪個 CPU 處理，充分發揮 SMP 優勢。多 CPU 平行處理同類型軟中斷時，需自行保護共享資料結構（可重入代價）。

核心處理函數：do_softirq

檢查重入條件（不在硬/軟中斷中），符合則處理：

pending = local_softirq_pending();
if (pending) __do_softirq();

在關中斷保護下完成。局部變數 pending 未傳入 __do_softirq，僅判斷非使用，判斷值與實際使用值可能有差異。此檢查達到：同 CPU 軟中斷不嵌套、嵌套硬中斷中不處理軟中斷。同 CPU 上 __do_softirq 序列化，多 CPU 間平行，故同類型軟中斷仍需保護共享資料。

核心處理函數：__do_softirq

三階段分析：

1. 準備階段：關閉軟中斷（防嵌套）。
2. 核心階段：關硬中斷、讀取並清空位圖、開硬中斷。循環執行所有被啟用軟中斷（最多 10 次 MAX_SOFTIRQ_RESTART），因使用使用者進程堆疊不可久佔。退出條件：總時間超限、被搶佔（開中斷後）、達 10 次。
3. 結尾階段：關硬中斷、開軟中斷。

若 10 次循環仍未清空位圖（期間大量硬中斷帶來新軟中斷），交給 ksoftirqd 處理。循環意義：處理期間可能進入新硬中斷帶來新軟中斷（僅在本 CPU 位圖置位），需反覆處理直到位圖清空。

防嵌套流程：關軟中斷包含原子性加 1。若路徑 A 在原子操作前被 B 打斷，B 處理完硬/軟中斷返回 A，A 接著執行原子操作，後續軟中斷處理空轉（已被 B 處理）。若在原子操作後被打斷，B 執行硬中斷但不執行軟中斷（嵌套檢查失敗），返回 A，A 額外處理 B 的軟中斷。

preempt_count 中的軟中斷位雙重作用：防單 CPU 嵌套、保證執行期間不被搶佔。

總結

中斷時序雖複雜，皆逃不出兩原則：硬中斷可打斷硬中斷（不同類型）；硬中斷可打斷軟中斷（軟中斷不打斷硬中斷，亦不打斷軟中斷）。所有複雜時序皆為這兩者疊加。