关于对 softirq、work_queue、tasklet 学习后的一点总结

本文基于linux版本：4.14.111

简单的总结下 softirq、work_queue、tasklet 三种中断下半部的工作原理及区别，并附上三种形式的简单实例。

一、运行原理
① softirq:

void __do_softirq(void)
{
    int max_restart = MAX_SOFTIRQ_RESTART;  　　　　　　 ///< 10
    struct softirq_action *h;
    ...
    pending = local_softirq_pending();　　　　　　　　　　///< 获取到当前的 pending 结果，也就是各个 softirq 的位或结果
    __local_bh_disable_ip(_RET_IP_, SOFTIRQ_OFFSET);　 ///< 标识进入了 softirq，并禁止 preempt
    while ((softirq_bit = ffs(pending))) {
        ...
        /* 取出相应的 action 并执行 */
        h->action(h);
        ....
    }

    if (pending) {
        /* 如果 softirq 整体运行完一遍后仍有 softirq 请求，那么将再次 restart 运行，最多运行 10 遍 */
        if (time_before(jiffies, end) && !need_resched() &&
            --max_restart)
            goto restart;

        /* 超过了 10 遍之后，不再 restart 运行，将请求交给处理 softirq 的内核线程，之后开启调度不占用过多时间片 */
        wakeup_softirqd();
    }
    ...
}

关于处理 softirq 请求的内核线程：

static void wakeup_softirqd(void)
{
    struct task_struct *tsk = __this_cpu_read(ksoftirqd);

    if (tsk && tsk->state != TASK_RUNNING)
        wake_up_process(tsk);       ///< 唤醒 ksoftirqd
}

static void run_ksoftirqd(unsigned int cpu)
{
    local_irq_disable();
    if (local_softirq_pending()) {
        __do_softirq();             ///< 执行 __do_softirq
        local_irq_enable();
        cond_resched_rcu_qs();
        return;
    }
    local_irq_enable();
}

可见，ksoftirqd 的处理方式也同样是通过调用 __do_softirq 来运行 softirq。
softirq 的触发方式：
　　1) 通过 __do_softirq 主动触发，通常在硬中断退出时，即 irq_exit，也会通过调用 invoke_softirq() -> __do_softirq 来触发软中断来执行下半部的 ISR(Interrupt Service Routines)；
　　2) 通过 ksoftirqd 被动触发；

② work_queue：依赖的就是内核线程，会在之后的文章中详细说明一下，并会在此处附上链接(以 SPI Flash 驱动中的 kthread 相关操作为例)。

③ tasklet：是 softirq 中的一个 action，可理解为是一个特殊的 softirq，并在 softirq_init 时就得到初始化，其回调函数为 tasklet_action，这里不在阐述，同样运行在中断上下文。

二、工作方式的区别
　　softirq 与 tasklet 运行在中断上下文，运行期间不可出现 sleep 休眠、阻塞等操作，work_queue 运行在进程上下文，可以进行休眠、阻塞、发生调度等。

三、测试实例及运行结果

① softirq：

1) 第一部分是对内核的修改，因为 softirq 只能静态创建，修改文件为 /kernel/softirq.c 补丁文件如下：

 const char * const softirq_to_name[NR_SOFTIRQS] = {
     "HI", "TIMER", "NET_TX", "NET_RX", "BLOCK", "IRQ_POLL",
-    "TASKLET", "SCHED", "HRTIMER", "RCU"
+    "TASKLET", "SCHED", "HRTIMER", "RCU", "LANCE_TEST"
 };

 /*
@@ -441,6 +441,7 @@ void raise_softirq(unsigned int nr)
     raise_softirq_irqoff(nr);
     local_irq_restore(flags);
 }
+EXPORT_SYMBOL(raise_softirq);

+static __latent_entropy void softirq_test_action(struct softirq_action *a)
+{
+    printk("This is softirq test.\n");
+}
+
 void __init softirq_init(void)
 {
     int cpu;
@@ -652,6 +658,8 @@ void __init softirq_init(void)

     open_softirq(TASKLET_SOFTIRQ, tasklet_action);
     open_softirq(HI_SOFTIRQ, tasklet_hi_action);
+
+    open_softirq(LANCE_TEST, softirq_test_action);
 }

2) 编写测试模块：

#include <linux/export.h>
#include <linux/kernel_stat.h>
#include <linux/interrupt.h>
#include <linux/init.h>
#include <linux/mm.h>
#include <linux/notifier.h>
#include <linux/percpu.h>
#include <linux/cpu.h>
#include <linux/freezer.h>
#include <linux/kthread.h>
#include <linux/rcupdate.h>
#include <linux/ftrace.h>
#include <linux/smp.h>
#include <linux/smpboot.h>
#include <linux/tick.h>
#include <linux/irq.h>

#include <linux/module.h>
#include <linux/init.h>
#include <linux/delay.h>

static int softirq_test_init(void)
{
    raise_softirq(LANCE_TEST);
    msleep();
    raise_softirq(LANCE_TEST);

    return ;
}

static void softirq_test_exit(void)
{
}

module_init(softirq_test_init);
module_exit(softirq_test_exit);
MODULE_LICENSE("GPL");

3) 安装模块后测试结果：

cat proc/softirqs
                    CPU0       CPU1       CPU2       CPU3
  LANCE_TEST:                                        

/ # insmod softirq.ko
[ 9544.236966] This is softirq test.
[ 9545.252842] This is softirq test.

② work_queue：

1) 编写测试模块：

#include <linux/kernel.h>
#include <linux/init.h>
#include <linux/fs.h>
#include <linux/module.h>
#include <linux/time.h>
#include <linux/delay.h>

static struct work_struct lance_work = {};
static struct workqueue_struct *queue;

void work_queue_cb(void)
{
    printk(KERN_EMERG "This is work_queue test.\n");
    printk("Cur in interrupt context? %s.\n", (in_interrupt() ? "Yes" : "No"));
}

static int work_queue_init(void)
{
    queue = create_workqueue("work_queue_lance");
    INIT_WORK(&lance_work, (typeof(lance_work.func))work_queue_cb);
    queue_work(queue, &lance_work); 

    msleep();
    queue_work(queue, &lance_work); 

    return ;
}

static void work_queue_exit(void)
{
    destroy_workqueue(queue);
}

module_init(work_queue_init);
module_exit(work_queue_exit);
MODULE_LICENSE("GPL");

2)  安装模块后测试结果：

/ # insmod work_queue.ko
[12633.889983] This is work_queue test.
[12633.893577] Cur in interrupt context? No.
[12634.917039] This is work_queue test.
/ # [12634.920623] Cur in interrupt context? No.

③ tasklet：

1) 编写测试模块：

#include <linux/module.h>
#include <linux/kernel.h>
#include <linux/init.h>
#include <linux/timer.h>
#include <linux/delay.h>
#include <linux/interrupt.h>

static struct tasklet_struct tasklet = {};
static struct timer_list timer = {};

static void task_func(unsigned long data)
{
    printk("This is tasklet test.\n");
    printk("Cur in interrupt context? %s.\n", (in_interrupt() ? "Yes" : "No"));
    //msleep(1000);        ///< 会导致崩溃
}

void timer_handler(unsigned long data)
{
    tasklet_schedule(&tasklet);
    mod_timer(&timer, jiffies+msecs_to_jiffies());
}

static int tasklet_test_init(void)
{
    tasklet_init(&tasklet, task_func, );
    init_timer(&timer);

    timer.function = timer_handler;
    timer.expires = jiffies + HZ;
    add_timer(&timer);

    return ;
}

static void tasklet_test_exit(void)
{
    del_timer(&timer);
    tasklet_disable(&tasklet);
}

module_init(tasklet_test_init);
module_exit(tasklet_test_exit);
MODULE_LICENSE("GPL");

2)  安装模块后测试结果：

/ # insmod tasklet.ko
/ # [12477.508765] This is tasklet test.
[12477.512089] Cur in interrupt context? Yes.
[12479.524783] This is tasklet test.
[12479.528108] Cur in interrupt context? Yes.

四、文末总结下在编写一个驱动时, 如果选用这三种工作方式

从根本上来说，如果有休眠阻塞的需要，work_queue 是唯一的选择；

否则最好用 tasklet，如果必须专注于性能的提高，那么就要考虑 softirq，但使用难度较大一些，要注意程序的可重入性。