基础：怎样理解Linux软中断

偏执的太偏执、 2022-09-17 01:59 150阅读 0赞

> 软中断(softirq)CPU使用率升高也是最常见的一种性能问题

# 从“取外卖”看中断 #

**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。**

## 为什么要有中断呢？ ##

⽐如说你订了⼀份外卖，但是不确定外卖什么时候送到，也没有别的⽅法了解外卖的进度，但是，配送员送外卖是不等⼈的，

到了你这⼉没⼈取的话，就直接⾛⼈了。所以你只能苦苦等着，时不时去⻔⼝看看外卖送到没，⽽不能⼲其他事情。

不过呢，如果在订外卖的时候，你就跟配送员约定好，让他送到后给你打个电话，那你就不⽤苦苦等待了，就可以去忙别的事情，直到电话⼀响，接电话、取外卖就可以了。

这⾥的“打电话”，其实就是⼀个中断。没接到电话的时候，你可以做其他的事情；只有接到了电话（也就是发⽣中断），你才要进⾏另⼀个动作：取外卖。

## 中断的作用 ##

从上面这个例子可以看出：**中断其实是一种异步机制，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的运行**。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丢失**

那么还是以取外卖为例。假如你订了 2 份外卖，⼀份主⻝和⼀份饮料，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，配送员给你打了个⻓⻓的电话，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 ##

如果你弄清楚了“取外卖”的模式，那对系统的中断机制就很容易理解了。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将中断处理过程分为了两个阶段：上半步和下半步**

*  **上半步用来快速处理中断，它在中断机制模式下运行，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**

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，其他事⼉⻅⾯再说，然后电话就可以挂断了；下半部才是取外卖的动作，以及⻅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。

除了取外卖，再举个最常⻅的⽹卡接收数据包的例⼦：

*  网卡接收到数据包之后，会通过**硬件中断**的方式，通知内核有新的数据到了。这时，内核就应该调用中断处理程序来响应它。
 *  对于上半步，既然是快速处理，其实就是要把网卡的数据读到内存中，然后更新一下硬件寄存器的状态（表述数据已经读好了），最后发送一个**软中断**信号，通知下半部做进一步的处理
 *  而下半步被软中断信号唤醒后，需要从内存中找到网络数据，再按照网络协议栈，对数据进行逐层解析和处理，直到把它送给应用程序。

所以，这两个阶段你也可以这样理解：

*  **上半步直接处理硬件请求**，也就是我们常说的**硬中断，特点是快速执行**
 *  **下半步则是由内核触发**，也就是我们常说的**软中断，特点是延迟执行**，用来**异步处理上半步未完成的工作**

**实际上，上半步会打断CPU正在执行的任务，然后立即执行中断处理程序，而下半步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，**软中断不只包括了硬件设备中断程序的下半步，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`，RCU是内核中最常用的锁之一)等**

> 那要怎么知道你得系统里有哪些软中断了

proc文件系统，是一种内核空间和用户空间进行通信的机制，可以用来查看内核的数据结构，或者用来动态修改内核的配置。其中：

*  /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，你就可以看到各种类型软中断在不同 CPU 上的累积运⾏次数：

$ 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

在查看 /proc/softirqs ⽂件内容时，你要特别注意以下这两点。

*  第⼀，要注意软中断的类型，也就是这个界⾯中第⼀列的内容。从第⼀列你可以看到，**软中断包括了10个级别，分别丢应不同的工作类型。比如NET\_RX表示网络接收中断，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。**正常清空下同一种中断在不同CPU上的累积次数应该差不多**。⽐如这个界⾯中，NET\_RX 在 CPU0 和 CPU1 上的中断次数基本是同⼀个数量级，相差不⼤。

不过你可能发现，TASKLET 在不同CPU上的分布并不均匀。

*  **TASKLEN是最常用的软中断实现机制。每个TASKLEN只允许一次就会结束，并且只在调用它的函数所在的CPU上运行**。
 *  因此，使用TASKLEN特别简便，当然也会存在一些问题，**比如由于只在一个CPU上运行导致的调度不均衡，比如因为不能在多个CPU上并行运行带来了性能限制**

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。

> **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**。 那要怎么查看这些线程的运⾏状况呢？

其实⽤ ps 命令就可以做到，⽐如执⾏下⾯的指令：

$ ps aux | grep softirq
    root 7 0.0 0.0 0 0 ? S Oct10 0:01 [ksoftirqd/0]
    root 16 0.0 0.0 0 0 ? S Oct10 0:01 [ksoftirqd/1]

注意，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**。

> 其他

*  ⼤量的⽹络⼩包会导致性能问题，是因为量的⼩⽹络包会导致频繁的硬中断和软中断呢？

# 系统的软中断CPU使用率升高，我该怎么办 #

**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⻅的性能问题。那应该怎么分析这种情况呢？

## 案例 ##

### 准备 ###

*  机器配置：2 CPU、8 GB 内存。
 *  预先安装 docker、sysstat、sar 、hping3、tcpdump 等⼯具
    
     *  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，常用于分析各种网络问题

apt-get installdocker.io sysstat hping3 tcpdump。

本次案例⽤到两台虚拟机  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZHJvaWRzYW5zZmFsbGJhY2s_shadow_50_text_Q1NETiBAT2NlYW4mJlN0YXI_size_20_color_FFFFFF_t_70_g_se_x_16]  
你可以看到，其中⼀台虚拟机运⾏ Nginx ，⽤来模拟待分析的 Web 服务器；⽽另⼀台当作Web 服务器的客户端，⽤来给Nginx 增加压⼒请求。使⽤两台虚拟机的⽬的，是为了相互隔离，避免“交叉感染”。

接下来，我们打开两个终端，分别 SSH 登录到两台机器上，并安装上⾯提到的这些⼯具。

### 操作和分析 ###

安装完成后，我们先在第⼀个终端，执⾏下⾯的命令运⾏案例，也就是⼀个最基本的 Nginx 应⽤：

# 运⾏Nginx服务并对外开放80端⼝
    $ docker run -itd --name=nginx -p 80:80 nginx

然后，在第⼆个终端，使⽤ curl 访问 Nginx 监听的端⼝，确认 Nginx 正常启动

$ curl http://192.168.0.30/
    <!DOCTYPE html>
    <html>
    <head>
    <title>Welcome to nginx!</title>
    .

接着，还是在第⼆个终端，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 u100 192.168.0.30

现在我们再回到第⼀个终端，你应该发现了异常。是不是感觉系统响应明显变慢了，即便只是在终端中敲⼏个回⻋，都得很久才能得到响应？这个时候应该怎么办呢？

简单的SHELL命令都明显变慢了，那就先看看系统的整体资源使用情况，比如先执行下top看看是不是出现了CPU性能瓶颈。我们在第⼀个终端运⾏ 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

> 这里你有没有发现异常的现象？

我们从第一行开始，逐个看一下：

*  平均负载全是0，就绪队列中只有一个进程（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

> 那为什么系统的响应变慢了呢？

*  既然每个指标的数值都不大，那我们再来看看，这些指标对应的更具体的含义。毕竟，哪怕是同一个指标，用在系统的不同部位和场景上，都有可能对应着不同的性能问题。
 *  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。

> 既然软中断可能有问题，那么我们就先要知道，究竟是哪类软中断的问题

观察 /proc/softirqs ⽂件的内容，你就能知道各种软中断类型的次数

不过，这里的各类软中断的次数，又是什么时间段的次数呢？它是系统运行以来的**累计中断次数**。所以我们直接查看文件内容，得到的只是累计中断次数，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**才是我们需要关注的。

> 那什么工具可以观察命令的输出变化情况呢？

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。

在第⼀个终端，我们运⾏下⾯的命令：

$ 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，也就是为了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具所必需的，所以他们有一定的变化时正常的。

因此，需要从网络接收的软中断着手。既然是为了接收的软中断，第一步应该就是观察系统的网络接口情况。

> 那么，如何观察系统的网络接口情况呢？

**sar可以用来查看系统的网络收发情况**，它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

# -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

*  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，忽略掉。

我们具体来看输出的内容：

*  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，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

从这些数据，你有没有发现什么异常的地⽅？

既然怀疑是⽹络接收中断的问题，我们还是重点来看 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，也就是我们通常所说的⼩包问题。

> 那么，有没有办法知道这是一个什么样的网络帧，以及从哪里发过来的呢？

使⽤ tcpdump 抓取 eth0 上的包就可以了。我们事先已经知道， Nginx 监听在 80 端⼝，它所提供的 HTTP 服务是基于 TCP协议的，所以我们可以指定 TCP 协议和 80 端⼝精确抓包。

# -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
    $ tcpdump -i eth0 -n tcp port 80
    15:11:32.678966 IP 192.168.0.2.18238 > 192.168.0.30.80: Flags [S], seq 458303614, win 512, length 0

从 tcpdump 的输出中，你可以发现

*  192.168.0.2.18238 > 192.168.0.30.80 ，表示⽹络帧从 192.168.0.2 的 18238 端⼝发送到 192.168.0.30 的 80 端⼝，也就是从运⾏ hping3 机器的 18238 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，现在我们可以确认，这就是从 192.168.0.2 这个地址发送过来的 SYNFLOOD 攻击。

到这⾥，我们已经做了全套的性能诊断和分析。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。

>  *  攻击者首先伪造地址对服务器发起SYN请求（我可以建立连接吗？），服务器就会回应一个ACK+SYN（可以+请确认）。而真实的IP会认为，我没有发送请求，不作回应。服务器没有收到回应，会重试3-5次并且等待一个SYN Time（一般30秒-2分钟）后，丢弃这个连接。
>  *  如果攻击者大量发送这种伪造源地址的SYN请求，服务器端将会消耗非常多的资源来处理这种半连接，保存遍历会消耗非常多的CPU时间和内存，何况还要不断对这个列表中的IP进行SYN+ACK的重试。TCP是可靠协议，这时就会重传报文，默认重试次数为5次，重试的间隔时间从1s开始每次都番倍，分别为1s + 2s + 4s + 8s +16s = 31s,第5次发出后还要等32s才知道第5次也超时了，所以一共是31 + 32 = 63s。
>  *  也就是说一共假的syn报文，会占用TCP准备队列63s之久，而半连接队列默认为1024，系统默认不同，可 cat /proc/sys/net/ipv4/tcp\_max\_syn\_backlog c查看。也就是说在没有任何防护的情况下，每秒发送200个伪造syn包，就足够撑爆半连接队列，从而使真正的连接无法建立，无法响应正常请求。 最后的结果是服务器无暇理睬正常的连接请求—拒绝服务。

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。

案例结束后，也不要忘了收尾，记得停⽌最开始启动的 Nginx 服务以及 hping3 命令。

在第⼀个终端中，运⾏下⾯的命令就可以停⽌ Nginx 了：

# 停⽌ Nginx 服务
    $ docker rm -f nginx

然后到第⼆个终端中按下 Ctrl+C 就可以停⽌ hping3。

> 为什么终端会卡顿

这个是由于⽹络延迟增⼤（甚⾄是丢包）导致的。⽐如你可以再拿另外⼀台机器（也就是第三台）在 hping3 运⾏的前后 ping ⼀下案例机器，`ping -c3 <ip>`

hping3 运⾏前，你可能看到最⻓的也不超过 1 ms：

3 packets transmitted, 3 received, 0% packet loss, time 2028ms
    rtt min/avg/max/mdev = 0.815/0.914/0.989/0.081 ms

⽽ hping3 运⾏时，不仅平均延迟增⻓到了 245 ms，⽽且还会有丢包的发⽣：

3 packets transmitted, 2 received, 33% packet loss, time 2026ms
    rtt min/avg/max/mdev = 240.637/245.758/250.880/5.145 ms

软终端不⾼导致系统卡顿，我的理解是这样的，其实不是系统卡顿，⽽是由于⽤的ssh远程登录，在这期间hping3⼤量发包，导致其他⽹络连接延迟，ssh通过⽹络连接，使ssh客户端感觉卡顿现象。

## 总结 ##

软中断CPU使⽤率（softirq）升⾼是⼀种很常⻅的性能问题。虽然软中断的类型很多，但实际⽣产中，我们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，你可以借⽤ sar、tcpdump 等⼯具，做进⼀步分析。

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