一.Linux系統(tǒng)笔宿，陷入內(nèi)核的三種方式

1.系統(tǒng)調(diào)用：應(yīng)用程序主動像操作系統(tǒng)發(fā)出的服務(wù)請求关贵，系統(tǒng)調(diào)用是應(yīng)用程序主動讓內(nèi)核代替進程執(zhí)行在內(nèi)核空間搓译，可能同步也可能異步。

2.中斷：一般由外設(shè)（硬件）發(fā)送電信號到處理器引起的民晒，處理器接收中斷后，會馬上向操作系統(tǒng)反應(yīng)信號的到來锄禽，由操作系統(tǒng)處理新來的數(shù)據(jù)潜必，硬件產(chǎn)生中斷的過程不考慮時鐘同步（隨時產(chǎn)生），也稱為異步中斷沃但。

3.異常：在產(chǎn)生時必須考慮與處理器時鐘同步磁滚，又稱為同步中斷，在處理器執(zhí)行到由于程序失誤而導(dǎo)致的錯誤指令（如被０除）的時候宵晚，或者是在執(zhí)行期間出現(xiàn)特殊情況（缺頁）垂攘，處理器就會產(chǎn)生一個異常维雇。

二.中斷處理機制的實現(xiàn)

1.中斷從硬件到內(nèi)核的路由

　　從本質(zhì)上來講，中斷是一種電信號搜贤，當設(shè)備有某種事件發(fā)生時谆沃，它就會產(chǎn)生中斷，通過總線把電信號發(fā)送給中斷控制器仪芒。如果中斷的線是激活的唁影，中斷控制器就把電信號發(fā)送給處理器的某個特定引腳。處理器于是立即停止自己正在做的事掂名，跳到中斷處理程序的入口點据沈，進行中斷處理。(上述描述的是硬中斷饺蔑，軟中斷利用指令信號觸發(fā)锌介，處理過程基本一致。)

2.查看Linux下中斷系統(tǒng)

１）文件/proc/interrupts包含系統(tǒng)中斷號猾警，在cpu上發(fā)送中斷的次數(shù)孔祸，設(shè)備接口、中斷名稱等信息

１）第一列表示IRQ號发皿， 第二崔慧、三列表示相應(yīng)的CPU核心被中斷的次數(shù)， 第四列表示設(shè)備接口穴墅，第五列表示中斷名稱惶室，如timer（系統(tǒng)時鐘）被CPU0中斷44次

２）IRQ號決定了需要被CPU處理的優(yōu)先級，IRQ號越小意味著優(yōu)先級越高玄货，如 IRQ0 ：系統(tǒng)時鐘（不能改變）皇钞，IRQ1 ：鍵盤控制器（不能改變）

２）文件/proc/stat

以intr開頭的信息記錄了機器從啟動開始，依賴各個中斷號發(fā)送中斷次數(shù)松捉，第一個數(shù)字3813161表示總的中斷數(shù)目夹界，之后數(shù)字分別表示從中斷號０開始各個中斷號中斷的次數(shù)。

２）文件/proc/irq

? ? ? ? /proc/irq目錄下面會為每個注冊的irq創(chuàng)建一個以irq編號為名字的子目錄隘世，每個子目錄下分別有以下條目：

smp_affinity ：irq和cpu之間的親緣綁定關(guān)系掉盅；

smp_affinity_hint ：只讀條目，用于用戶空間做irq平衡只用以舒；

spurious? ：可以獲得該irq被處理和未被處理的次數(shù)的統(tǒng)計信息趾痘；

? ? ? ? ? Linux 2.4內(nèi)核之后引入了將特定中斷綁定到指定的CPU的技術(shù)，稱為SMP IRQ affinity蔓钟。該技術(shù)允許你限制或者重新分配服務(wù)器的工作負載, 從而讓服務(wù)器更有效的工作. 以網(wǎng)卡中斷為例永票，在沒有設(shè)置SMP IRQ affinity時，所有網(wǎng)卡中斷都關(guān)聯(lián)到CPU0, 這導(dǎo)致了CPU0負載過高，而無法有效快速的處理網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包侣集，導(dǎo)致了瓶頸键俱。 通過SMP IRQ affinity，把網(wǎng)卡多個中斷分配到多個CPU上世分，可以分散CPU壓力编振，提高數(shù)據(jù)處理速度。

smp_affinity文件中的數(shù)值以十六進制顯示臭埋，如 /proc/irq/0/smp_affinity內(nèi)容為f踪央， /proc/irq/1/smp_affinity/內(nèi)容為3，對應(yīng)的二進制為1111瓢阴，0011畅蹂，二進制表示中每一位代表一個CPU，1表示該CPU可以中斷該IRQ荣恐，即把0號中斷綁定到前4個CPU(CPU0-3)上面液斜，把1號中斷綁定到前2個CPU(CPU0-2)上面，（當然我的主機只有2個CPU）叠穆；

/proc/irq/default_smp_affinity 指定了默認情況下未激活的IRQ的中斷親和掩碼(affinity mask)少漆。一旦IRQ被激活，它將被設(shè)置為默認的設(shè)置(即default_smp_affinity中記錄的設(shè)置)硼被，該文件能被修改检疫，默認設(shè)置是f。

三.中斷的分類

1.硬中斷

１）硬中斷是由硬件產(chǎn)生的祷嘶，比如，像磁盤夺溢，網(wǎng)卡论巍，鍵盤，時鐘等风响。每個設(shè)備或設(shè)備集都有它自己的IRQ（中斷請求）嘉汰。基于IRQ状勤，CPU可以將相應(yīng)的請求分發(fā)到對應(yīng)的硬件驅(qū)動上（注：硬件驅(qū)動通常是內(nèi)核中的一個子程序鞋怀，而不是一個獨立的進程）。

２）處理中斷的驅(qū)動是需要運行在CPU上的持搜，因此密似，當中斷產(chǎn)生的時候，CPU會中斷當前正在運行的任務(wù)葫盼，來處理中斷残腌。在有多核心的系統(tǒng)上，一個中斷通常只能中斷一顆CPU。

2.軟中斷

１）由當前正在運行的進程所產(chǎn)生的

２）通常抛猫，軟中斷是一些對I/O的請求蟆盹。這些請求會調(diào)用內(nèi)核中可以調(diào)度I/O發(fā)生的程序。對于某些設(shè)備闺金，I/O請求需要被立即處理逾滥，而磁盤I/O請求通常可以排隊并且可以稍后處理败匹。根據(jù)I/O模型的不同寨昙，進程或許會被掛起直到I/O完成，此時內(nèi)核調(diào)度器就會選擇另一個進程去運行哎壳。I/O可以在進程之間產(chǎn)生并且調(diào)度過程通常和磁盤I/O的方式是相同

３）軟中斷僅與內(nèi)核相聯(lián)系毅待。而內(nèi)核主要負責對需要運行的任何其他的進程進行調(diào)度。一些內(nèi)核允許設(shè)備驅(qū)動的一些部分存在于用戶空間归榕，并且當需要的時候內(nèi)核也會調(diào)度這個進程去運行尸红。

４）軟中斷并不會直接中斷CPU。也只有當前正在運行的代碼（或進程）才會產(chǎn)生軟中斷刹泄。這種中斷是一種需要內(nèi)核為正在運行的進程去做一些事情（通常為I/O）的請求外里。有一個特殊的軟中斷是Yield調(diào)用，它的作用是請求內(nèi)核調(diào)度器去查看是否有一些其他的進程可以運行

硬中斷與軟中斷的區(qū)別：

①硬中斷是由外部事件引起的因此具有隨機性和突發(fā)性特石；軟中斷是執(zhí)行中斷指令產(chǎn)生的盅蝗，無面外部施加中斷請求信號，因此中斷的發(fā)生不是隨機的而是由程序安排好的姆蘸。

②硬中斷的中斷響應(yīng)周期墩莫，CPU需要發(fā)中斷回合信號（NMI不需要），軟中斷的中斷響應(yīng)周期逞敷，CPU不需發(fā)中斷回合信號狂秦。

③硬中斷的中斷號是由中斷控制器提供的（NMI硬中斷中斷號系統(tǒng)指定為02H）；軟中斷的中斷號由指令直接給出推捐，無需使用中斷控制器裂问。

④硬中斷是可屏蔽的（NMI硬中斷不可屏蔽），軟中斷不可屏蔽牛柒。

3.時鐘中斷

? ? ? ? Linux的OS時鐘的物理產(chǎn)生原因是可編程定時/計數(shù)器產(chǎn)生的輸出脈沖堪簿，這個脈沖送入CPU，就可以引發(fā)一個中斷請求信號皮壁，我們就把它叫做時鐘中斷椭更。

? ? ? 時鐘中斷的主要工作是處理和時間有關(guān)的所有信息、決定是否執(zhí)行調(diào)度程序以及處理下半部分蛾魄。和時間有關(guān)的所有信息包括系統(tǒng)時間甜孤、進程的時間片协饲、延時、使用CPU的時間缴川、各種定時器茉稠，進程更新后的時間片為進程調(diào)度提供依據(jù)，然后在時鐘中斷返回時決定是否要執(zhí)行調(diào)度程序把夸。下半部分處理程序是Linux提供的一種機制而线，它使一部分工作推遲執(zhí)行。

四.中斷上下文與進程上下文

中斷上下文是由于硬件發(fā)生中斷時會觸發(fā)中斷信號請求恋日，請求系統(tǒng)處理中斷膀篮，執(zhí)行中斷服務(wù)子程序。

１.中斷上下文：

（1）中斷上文：硬件通過中斷觸發(fā)信號岂膳，導(dǎo)致內(nèi)核調(diào)用中斷處理程序誓竿，進入內(nèi)核空間。這個過程中谈截，硬件的一些變量和參數(shù)也要傳遞給內(nèi)核筷屡，內(nèi)核通過這些參數(shù)進行中斷處理。中斷上文可以看作就是硬件傳遞過來的這些參數(shù)和內(nèi)核需要保存的一些其他環(huán)境（主要是當前被中斷的進程環(huán)境簸喂。

（2）中斷下文：執(zhí)行在內(nèi)核空間的中斷服務(wù)程序毙死。

２.進程上下文：

（1）進程上文：其是指進程由用戶態(tài)切換到內(nèi)核態(tài)是需要保存用戶態(tài)時cpu寄存器中的值，進程狀態(tài)以及堆棧上的內(nèi)容喻鳄，即保存當前進程的執(zhí)行環(huán)境扼倘，以便再次執(zhí)行該進程時，能夠恢復(fù)切換時的狀態(tài)除呵，繼續(xù)執(zhí)行再菊。

（2）進程下文：其是指切換到內(nèi)核態(tài)后執(zhí)行的程序，即進程運行在內(nèi)核空間的部分颜曾。

３.中斷上下文與進程上下文區(qū)別：

１）所謂的“進程上下文”纠拔，可以看作是用戶進程傳遞給內(nèi)核的這些參數(shù)以及內(nèi)核要保存的那一整套的變量和寄存器值和當時的環(huán)境等；所謂的“ 中斷上下文”泛啸，其實也可以看作就是硬件傳遞過來的這些參數(shù)和內(nèi)核需要保存的一些其他環(huán)境（主要是當前被打斷執(zhí)行的進程環(huán)境）。

２）一個進程的上下文可以分為三個部分:用戶級上下文秃症、寄存器上下文以及系統(tǒng)級上下文候址。

（1）用戶級上下文: 正文、數(shù)據(jù)种柑、用戶堆棧以及共享存儲區(qū)岗仑；

（2）寄存器上下文: 通用寄存器、程序寄存器(IP)聚请、處理器狀態(tài)寄存器(EFLAGS)荠雕、棧指針(ESP)稳其；

（3）系統(tǒng)級上下文: 進程控制塊task_struct、內(nèi)存管理信息(mm_struct炸卑、vm_area_struct既鞠、pgd、pte)盖文、內(nèi)核棧等嘱蛋。

３）中斷上下文和特定進程無關(guān)，通常都會始終占有CPU（當然中斷可以嵌套五续，但我們一般不這樣做）洒敏，不可以被打斷，所以運行在中斷上下文的代碼就要受一些限制：

1疙驾、睡眠或者放棄CPU凶伙。

? ? ? 這樣做的后果是災(zāi)難性的，因為內(nèi)核在進入中斷之前會關(guān)閉進程調(diào)度它碎，一旦睡眠或者放棄CPU函荣，這時內(nèi)核無法調(diào)度別的進程來執(zhí)行，系統(tǒng)就會死掉

2链韭、嘗試獲得信號量

? ? ? 如果獲得不到信號量偏竟，代碼就會睡眠，會產(chǎn)生和上面相同的情況

3敞峭、執(zhí)行耗時的任務(wù)

? ? ? 中斷處理應(yīng)該盡可能快踊谋，因為內(nèi)核要響應(yīng)大量服務(wù)和請求，中斷上下文占用CPU時間太長會嚴重影響系統(tǒng)功能旋讹。

4殖蚕、訪問用戶空間的虛擬地址

? ? ? 因為中斷上下文是和特定進程無關(guān)的，它是內(nèi)核代表硬件運行在內(nèi)核空間沉迹，所以在終端上下文無法訪問用戶空間的虛擬地址