中断延迟处理机制之Tasklet，从理论到实践

作为Linux内核中的下半部工作机制之一，tasklet有它存在的价值和意义，和其它的中断延迟工作机制互补。

Tasklet是在I/O驱动中实现延迟执行函数的首选方法。如前所述，Tasklet是建立在两个名为HI_SOFTIRQ和TASKLET_SOFTIRQ的软中断之上。多个Tasklet可以与同一个软中断相关联，每个Tasklet都包含自己的函数。实际上，这两个软中断并没有什么区别，只是在do_softirq()函数中，它先执行HI_SOFTIRQ的Tasklet，再执行TASKLET_SOFTIRQ的Tasklet。

Tasklet和高优先级Tasklet存储在tasklet_vec和tasklet_hi_vec数组中。两个数组都包括NR_CPUS个tasklet_head类型的元素，每个元素都包含一个指向Tasklet描述符列表的指针。

发展和改进历史

• Linux 2.3.x：Tasklet机制首次引入。
  这个版本中，内核开发人员实现了基本的Tasklet API，用于创建、调度和执行Tasklet。此外，这个版本还引入了底半部（bottom half）和软中断概念，与Tasklet一起组成了Linux内核中的软中断处理机制。

• Linux 2.4.x：这个版本的内核对Tasklet的实现进行了优化，提高了Tasklet的性能。同时，这个版本对Tasklet机制的调度和执行策略进行了改进，使得Tasklet在处理中断任务时具有更高的优先级。

• Linux 2.6.x：这个版本中，内核开发人员对Tasklet的API进行了扩展，增加了新的功能，如动态创建和销毁Tasklet。此外，这个版本还对Tasklet的调度策略进行了进一步优化，提高了Tasklet在高并发场景下的性能。

• Linux 3.x：这个版本中，内核开发人员对Tasklet的实现进行了细微调整，以提高其在多核系统中的性能。此外，这个版本还对Tasklet的资源管理和同步机制进行了优化，使得Tasklet在处理复杂中断任务时表现更加稳定。

• Linux 4.x：这个版本的内核对Tasklet的调度策略进行了改进，以适应不断增长的硬件性能。此外，这个版本还引入了新的API，以支持更高级的Tasklet功能，如基于优先级的调度和任务分组。

• Linux 5.x：在这个版本中，内核开发人员继续对Tasklet进行优化，提高其在高负载场景下的性能。此外，这个版本还对Tasklet的资源管理和同步机制进行了进一步优化，以提高其在多核系统中的可扩展性。

解决了什么问题？

分担硬中断处理程序的负担：硬中断处理程序需要在尽可能短的时间内完成，以便让系统能够响应其他中断。然而，某些中断处理任务可能相对耗时，如果直接在硬中断处理程序中执行这些任务，可能会导致系统响应变慢。Tasklet允许将这些耗时任务推迟到稍后执行，从而降低硬中断处理过程中的延迟。

• 避免资源竞争：Tasklet运行在中断上下文中，不会被其他Tasklet或中断处理程序抢占。这使得Tasklet在处理共享资源时能够避免资源竞争，提高系统的稳定性和可靠性。

• 优化中断处理：Tasklet提供了一种简单且高效的方式来处理软中断任务。开发人员可以将中断处理任务分解为硬中断处理程序和Tasklet，从而简化中断处理过程并提高系统性能。

• 提高系统性能：Tasklet的执行是在中断上下文中进行的，而不是在进程上下文中。这意味着Tasklet的调度和执行开销相对较小，从而提高系统性能。

• 异步处理：Tasklet使得内核可以在适当的时机异步执行一些任务，而不是立即执行。这有助于平衡系统负载，并确保系统在高负载情况下仍能保持响应。

Linux内核中的Tasklet主要用于处理一些需要在软中断上下文中执行的任务，这些任务通常是由硬中断处理程序触发的。以下是一些典型的在Tasklet上运行的任务：

• 网络接收处理：当网络设备接收到数据包时，它会触发一个硬中断。硬中断处理程序会对数据包进行初步处理，然后将数据包放入接收队列。接着，它会调度一个Tasklet来处理接收队列中的数据包，包括协议解析、路由等操作。

• 网络发送处理：网络设备在发送数据包时，需要处理一系列操作，例如：将数据包放入发送队列、更新设备寄存器等。这些操作可以在Tasklet中完成，以避免在硬中断处理程序中执行耗时任务。

• 块设备I/O处理：块设备（如硬盘、SSD等）在执行I/O操作时，也会触发硬中断。硬中断处理程序通常负责处理I/O完成事件，然后将I/O请求放入完成队列。接下来，它会调度一个Tasklet来处理完成队列中的I/O请求，包括通知上层文件系统、更新缓存等操作。

• USB设备事件处理：USB设备在插入或拔出时会触发硬中断。硬中断处理程序负责检测设备状态变化，并调度一个Tasklet来执行设备配置、资源分配等操作。

• 其他硬件设备事件处理：许多其他硬件设备（如声卡、视频卡等）也会触发硬中断。这些设备的事件处理程序通常会将一些耗时任务放入Tasklet中执行，以减轻硬中断处理程序的负担。

需要注意的是，Tasklet只是Linux内核中的一种底层软中断处理机制。内核开发人员也可以选择使用其他机制，如工作队列（workqueues）或线程化中断处理程序，来完成类似的任务。具体采用哪种机制取决于具体的应用场景和性能需求。

源码剖析

tasklet在Linux内核中是以tasklet_struct的结构体定义。

struct tasklet_struct {
    struct tasklet_struct *next;
    unsigned long state;
    atomic_t count;
    void (*func)(unsigned long);
    unsigned long data;
};

DECLARE_PER_CPU_SHARED_ALIGNED(struct tasklet_head, tasklet_vec);

#define tasklet_schedule(t) \
    __tasklet_schedule((t), &tasklet_vec)

#define tasklet_hi_schedule(t) \
    __tasklet_schedule((t), &tasklet_hi_vec)

#define tasklet_disable_nosync()    local_irq_disable()
#define tasklet_enable()        local_irq_enable()

#define tasklet_init(t, f, data) \
    do { \
        (t)->next = NULL; \
        (t)->state = 0; \
        atomic_set(&(t)->count, 0); \
        (t)->func = (f); \
        (t)->data = (data); \
    } while (0)

• struct tasklet_struct 是 tasklet 描述符结构体，包括了下一个 tasklet 的指针、状态、引用计数、回调函数以及回调函数的参数等成员。

  tasklet_struct结构体包含了四个成员变量：next指针、count计数器、func函数指针和data数据。其中，next指针用于将多个tasklet链接在一起形成一个链表；count计数器用于表示tasklet是否已经被调度，防止同一tasklet被多次调度；func函数指针用于存储tasklet需要执行的函数地址；data数据则用于传递给tasklet需要使用的参数。

• DECLARE_PER_CPU_SHARED_ALIGNED(struct tasklet_head, tasklet_vec) 定义了每个 CPU 上 tasklet 列表的头指针，tasklet_vec 数组的每个元素是一个 tasklet_head 结构体，指向一个 tasklet 链表，即一个 CPU 上的所有 tasklet 都储存在这个链表中。

• tasklet_schedule(t) 宏用于将指定的 tasklet 添加到当前 CPU 的 tasklet 列表中，等待执行。tasklet_hi_schedule(t) 则是将指定的 tasklet 添加到高优先级的 tasklet 列表中，等待执行。

  tasklet_schedule()函数首先对tasklet的count计数器加1，表示tasklet需要被调度执行；然后调用tasklet_hi_schedule()函数将其加入到内核的高优先级任务队列中，等待执行。

  当tasklet被调度执行时，内核会将其放入TASKLET_SOFTIRQ中断处理程序中进行处理。在TASKLET_SOFTIRQ中断处理程序中，内核会依次执行所有需要被调度执行的tasklet，并将其从任务队列中移除。

• tasklet_disable_nosync() 宏用于禁用当前 CPU 的中断，以确保在执行 tasklet 时不会被打断。tasklet_enable() 则是启用中断。

• tasklet_init(t, f, data) 宏用于初始化一个 tasklet 描述符结构体，指定回调函数和参数，并将引用计数初始化为 0。

  可以看到，tasklet_init()函数将tasklet的next指针置为空，将count计数器清零，将func函数指针指向所需执行的函数地址，将data数据设置为需要传递的参数。

调度流程

当tasklet被调度执行时，内核会将其放入TASKLET_SOFTIRQ中断处理程序中进行处理。在TASKLET_SOFTIRQ中断处理程序中，内核会依次执行所有需要被调度执行的tasklet，并将其从任务队列中移除。

TASKLET_SOFTIRQ中断处理程序的定义如下：

asmlinkage __visible void __do_softirq(void)
{
    unsigned long flags;
    struct softirq_action *h;

    local_irq_save(flags);

    __this_cpu_inc(softirq_count);

    h = softirq_vec;
    while (h < softirq_vec + NR_SOFTIRQS) {
        __u32 pending;

        pending = local_softirq_pending() & h->mask;
        if (pending)
            h->action(pending);
        h++;
    }

    __this_cpu_dec(softirq_count);

    local_irq_restore(flags);
}

当内核执行TASKLET_SOFTIRQ中断处理程序时，会首先禁用本地中断，以避免中断重入和竞争条件。然后，内核会遍历tasklet_vec数组，依次检查每个CPU上是否有已经排队等待执行的tasklet，如果有，则将tasklet添加到TASKLET_SOFTIRQ处理程序的执行队列中。

当TASKLET_SOFTIRQ中断处理程序完成后，内核会重新启用本地中断，并立即调用处理程序的执行队列中的所有tasklet。此时，这些tasklet将以FIFO（先进先出）的顺序被执行，一直到执行队列为空为止。

需要注意的是，如果在执行TASKLET_SOFTIRQ中断处理程序期间有更高优先级的中断发生，那么内核会立即停止执行TASKLET_SOFTIRQ中断处理程序并转而处理更高优先级的中断。当更高优先级的中断处理完成后，内核会恢复TASKLET_SOFTIRQ中断处理程序的执行。

总结

对比：softirq vs tasklet

虽然Tasklet和Softirq都属于Linux内核中的软中断处理机制，但它们之间存在一些关键区别，这使得Tasklet在某些情况下更适合用于处理特定类型的任务。以下是Tasklet和Softirq之间的一些区别，以及为什么Tasklet仍然存在的原因：

• 简单性：Tasklet提供了一种简单的软中断处理方法。相比Softirq，Tasklet的API更简洁，使得内核开发人员更容易理解和使用。对于一些简单的软中断任务，使用Tasklet可能更加方便。

• 顺序执行：Tasklet是顺序执行的，同一时刻只有一个Tasklet实例在运行。这有助于避免在处理共享资源时出现竞争条件。相反，Softirq可以在多个CPU上并行执行，这可能导致资源竞争，需要额外的同步机制来解决。

• 动态创建：Tasklet可以在运行时动态创建和销毁，而Softirq在编译时就固定了数量。这使得Tasklet更灵活，能够根据实际需要创建和销毁。

• 优先级：Tasklet和Softirq具有不同的优先级。Tasklet的优先级相对较低，它们会在Softirq处理完成后执行。这使得内核可以在需要时优先处理Softirq任务。

尽管Softirq在某些方面具有更高的性能，但Tasklet仍然存在的原因是它们在简单性、顺序执行和动态创建等方面的优势。实际上，Tasklet是基于Softirq实现的，它们共享相同的底层软中断处理基础设施。具体选择使用Tasklet还是Softirq取决于具体的应用场景和性能需求。