softirq 処理はいつ行われるのか †

softirq に登録 (open_softirq()) した関数が raise_softirq(), raise_softirq_irqoff() で実行保留状態になった後、実行される状況は次の表のとおりです。tasklet, timer とも softirq に登録した関数の処理として実装されているので、これらが実行される状況だとも言えます。

イベント・呼び出し処理が行われる所
呼び出し元 contextirq 処理の最後ksoftirqd
割り込み発生
(irq_exit())		-×: in_interrupt()
○: (!in_interrupt())[*1][*2][*4]		×: in_interrupt()
○: (!in_interrupt())[*1][*2][*4]
do_softirq()×: in_interrupt()[*3]
○: (!in_interrupt())[*2]		-×: in_interrupt()[*3]
○: (!in_interrupt())[*2]
raise_softirq()
raise_softirq_irqoff()		×-×: in_interrupt()[*3]
○: (!in_interrupt())

○: 処理する。×: 処理しない。-: 組み合わせ上の空き。

[*1] CONFIG_IRQ_FORCED_THREADING が定義されて構築された kernel に起動パラメータ threadirqs が付加されている場合は、ksoftirqd で softirq 処理が行われます。CONFIG_IRQ_FORCED_THREADING が定義されていないか、定義されて構築された kernel に起動パラメータ threadirqs が付加されていない場合は、softirq 処理に時間が掛かった場合、処理しきれない分を ksoftirqd にて処理する。

[*2] 割り込み処理の最後または、呼び出したコンテキスト中で制限時間 MAX_SOFTIRQ_TIME または、繰り返し制限回数 MAX_SOFTIRQ_RESTART 以内に終わらなければ、ksoftirqd thread で処理されます。

[*3] in_interrupt() が真の場合、実行されません。in_interrupt() は irq_count() で (preempt_count() & (HARDIRQ_MASK | SOFTIRQ_MASK | NMI_MASK)) という実装がされています。ハードウエア割り込みの許可禁止関数、softirq の許可禁止関数を操作した結果による許禁止状態も in_interrupt() の結果に反映されています。

[*4] irq_exit() 内で直前にある preempt_count_sub() にて割り込み処理中状態から脱出する(カウンタを減じる)処理があります。

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ksoftirqd はいつ働く †

softirq 処理のために ksoftirqd thread が用意されています。ksoftirqd, softirq_threads 変数で状態を保持しています。ps uaxww コマンドでプロセスリストを表示すると ksoftirqd/0, ksoftirqd/1, ... のような名前で CPU の数と同じ数だけ並ぶ kernel thread です。

fileOpenGrok(linux-4.1.27/kernel/softirq.c:747)
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static struct smp_hotplug_thread softirq_threads = {
        .store                  = &ksoftirqd,
        .thread_should_run      = ksoftirqd_should_run,
        .thread_fn              = run_ksoftirqd,
        .thread_comm            = "ksoftirqd/%u",
};

softirq 処理が ksoftirqd で行われるのは threadirqs kernel parameter 未指定(または無効)で低負荷状態では稀です。ksoftirqd が使われる条件は __do_softirq() に実装されています。

割り込み処理の最後で softirq を処理する時間は 2ms (MAX_SOFTIRQ_TIME), softirq 処理中に新たに保留状態になった softirq を処理し尽くす様に繰り返す回数は 10 回 (MAX_SOFTIRQ_RESTART) になっています。これを超えた場合は、ksoftirqd thread の中で実行されることになります。コメントを読むと、経験的に決まった値のようです。割り込み応答時間を短くしたいならば、調整の余地がありそうな定数でしょう。

fileOpenGrok(linux-4.1.27/kernel/softirq.c:181)
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/*
 * We restart softirq processing for at most MAX_SOFTIRQ_RESTART times,
 * but break the loop if need_resched() is set or after 2 ms.
 * The MAX_SOFTIRQ_TIME provides a nice upper bound in most cases, but in
 * certain cases, such as stop_machine(), jiffies may cease to
 * increment and so we need the MAX_SOFTIRQ_RESTART limit as
 * well to make sure we eventually return from this method.
 *
 * These limits have been established via experimentation.
 * The two things to balance is latency against fairness -
 * we want to handle softirqs as soon as possible, but they
 * should not be able to lock up the box.
 */
#define MAX_SOFTIRQ_TIME  msecs_to_jiffies(2)
#define MAX_SOFTIRQ_RESTART 10

__do_softirq() 関数中にある h->action(h); が softirq 処理関数呼び出しです。保留している softirq 処理が残り続けると restart: ラベルを回るループが回ります。ループは MAX_SOFTIRQ_TIME, MAX_SOFTIRQ_RESTART で回る回数が制限され、制限に達すると wakeup_softirqd() が呼ばれ残りは ksoftirqd thread で行われます。

fileOpenGrok(linux-4.1.27/kernel/softirq.c:230)
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asmlinkage __visible void __do_softirq(void)
{
        unsigned long end = jiffies + MAX_SOFTIRQ_TIME;
        unsigned long old_flags = current->flags;
        int max_restart = MAX_SOFTIRQ_RESTART;
        struct softirq_action *h;
        bool in_hardirq;
        __u32 pending;
        int softirq_bit;
 
        /*
         * Mask out PF_MEMALLOC s current task context is borrowed for the
         * softirq. A softirq handled such as network RX might set PF_MEMALLOC
         * again if the socket is related to swap
         */
        current->flags &= ~PF_MEMALLOC;
 
        pending = local_softirq_pending();
        account_irq_enter_time(current);
 
        __local_bh_disable_ip(_RET_IP_, SOFTIRQ_OFFSET);
        in_hardirq = lockdep_softirq_start();
 
restart:
        /* Reset the pending bitmask before enabling irqs */
        set_softirq_pending(0);
 
        local_irq_enable();
 
        h = softirq_vec;
 
        while ((softirq_bit = ffs(pending))) {
                unsigned int vec_nr;
                int prev_count;
 
                h += softirq_bit - 1;
 
                vec_nr = h - softirq_vec;
                prev_count = preempt_count();
 
                kstat_incr_softirqs_this_cpu(vec_nr);
 
                trace_softirq_entry(vec_nr);
                h->action(h);
                trace_softirq_exit(vec_nr);
                if (unlikely(prev_count != preempt_count())) {
                        pr_err("huh, entered softirq %u %s %p with preempt_count %08x, exited with %08x?\n",
                               vec_nr, softirq_to_name[vec_nr], h->action,
                               prev_count, preempt_count());
                        preempt_count_set(prev_count);
                }
                h++;
                pending >>= softirq_bit;
        }
 
        rcu_bh_qs();
        local_irq_disable();
 
        pending = local_softirq_pending();
        if (pending) {
                if (time_before(jiffies, end) && !need_resched() &&
                    --max_restart)
                        goto restart;
 
                wakeup_softirqd();
        }
 
        lockdep_softirq_end(in_hardirq);
        account_irq_exit_time(current);
        __local_bh_enable(SOFTIRQ_OFFSET);
        WARN_ON_ONCE(in_interrupt());
        tsk_restore_flags(current, old_flags, PF_MEMALLOC);
}
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