【操作系统百科】线程化中断

hardirq 时间越短越好——但有些设备需要在中断上下文做 I2C 通信、DMA 等待。线程化中断把这些工作搬到内核线程。

一、先看图

flowchart LR
    IRQ[硬件中断] --> HANDLER[hardirq handler<br/>快速确认]
    HANDLER -->|IRQ_WAKE_THREAD| THREAD[irq thread<br/>内核线程]
    THREAD --> WORK[完整处理<br/>可睡眠]

    classDef hard fill:#f85149,stroke:#f85149,color:#adbac7;
    classDef thread fill:#3fb95022,stroke:#3fb950,color:#adbac7;
    class IRQ,HANDLER hard
    class THREAD,WORK thread

二、API

request_threaded_irq(irq, handler, thread_fn, flags, name, dev_id);

• handler：hardirq 上下文，做最小工作（ACK 硬件）→ 返回 IRQ_WAKE_THREAD
• thread_fn：内核线程上下文，完成实际处理 → 可睡眠

2.1 IRQF_ONESHOT

request_threaded_irq(irq, NULL, thread_fn, IRQF_ONESHOT, ...);

handler 为 NULL → 内核用默认 handler（只 mask 中断）。

IRQF_ONESHOT：中断在 thread_fn 完成前保持 masked → 防止中断风暴。

I2C/SPI 传感器驱动常用这个模式。

三、PREEMPT_RT 全线程化

PREEMPT_RT 强制所有中断线程化（除 IRQF_NO_THREAD）：

// 普通内核
spin_lock_irqsave → 关中断

// PREEMPT_RT
spin_lock → rt_mutex → 可被更高优先级线程抢占
// 中断 handler 在线程中运行 → 也可被抢占

效果：所有代码路径可抢占 → 确定性延迟。

四、延迟 vs 吞吐

4.1 实时延迟

cyclictest 测量：

cyclictest -m -Sp99 -i200 -h400 -q -l 100000

• 普通内核：p99 ~50-200μs（偶尔 ms 级尖刺）
• PREEMPT_RT：p99 < 50μs

五、softirq 线程化

PREEMPT_RT 也把 softirq 线程化 → ksoftirqd 成为可调度线程 → 不再抢占用户态。

主线内核 6.x 开始逐步合入 softirq 线程化改造。

六、中断风暴的变形

线程化中断可能引入新问题：

• thread_fn 执行慢 → 中断队列堆积
• ONESHOT mask 时间过长 → 设备响应延迟

需要监控 IRQ 线程的调度延迟。

七、何时用线程化中断

八、irq thread 优先级

ps -eo pid,cls,rtprio,comm | grep irq/
# irq/42-nvme0q1   FF   50

IRQ 线程默认 SCHED_FIFO 50。可以用 chrt 调整。

实时系统需要仔细规划 IRQ 线程优先级 → 避免优先级反转。

九、观察

cat /proc/interrupts                    # 中断计数
ps -eo pid,cls,rtprio,comm | grep irq/  # IRQ 线程
cat /proc/irq/<n>/spurious              # 虚假中断

# 线程化中断延迟
bpftrace -e 'kprobe:irq_thread_fn { @lat = hist(nsecs - @start[tid]); }'

十、小结

• 线程化中断把 handler 搬到内核线程 → 可睡眠、可抢占
• IRQF_ONESHOT 防止中断风暴
• PREEMPT_RT 全线程化 → 确定性延迟 < 50μs
• 代价是吞吐量降低 5-15%
• 高速设备保持 hardirq，慢速设备用线程化

参考文献

• kernel/irq/manage.c
• Thomas Gleixner, “RT PREEMPT HOWTO.”
• Documentation/kernel-hacking/locking.rst
• Steven Rostedt, “Threaded interrupts and preemptible-RCU.” 2009

工具

• cyclictest
• chrt
• /proc/irq/<n>/
• bpftrace

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