I/O中斷原理

前言

在Windows內核原理-同步IO與異步IO和《高性能網絡通訊原理》兩篇文章中，都出現了中斷這兩個字。本篇文章會對中斷操作的原理進行說明。

什么是中斷

中斷指當出現需要時，CPU暫時停止當前程序的執行轉而執行處理新情況的程序和執行過程。即在程序運行過程中，系統出現了一個必須由CPU立即處理的情況，此時，CPU暫時中止程序的執行轉而處理這個新的情況的過程就叫做中斷。

我們知道CPU是按指令順序進行執行的，操作系統每過大約15ms會發生一次線程調度(Windows下)，根據線程優先級先調度優先級高的線程。但是實際情況並沒有那么簡單，若我們接收到一個網絡請求，如果要等當前線程執行完或15ms線程調度之后才去處理網絡請求，網卡緩沖區很有可能會被占滿，此時就發生了丟包。

中斷類型

中斷分為硬件中斷和軟件中斷。

硬件中斷

硬件中斷即為硬件發出的中斷信號，如I/O中斷和硬件失效中斷。

I/O中斷：由I/O控制器產生，用於發送信號通知操作完成等信號。
硬件失效中斷：如掉電或存儲器奇偶錯之類的故障。

軟件中斷

軟件中斷即為非硬件發出的中斷信號，如程序中斷和時鍾中斷。

程序中斷：一些指令產生的異常(如算數移除、除數為0等)。
時鍾中斷：由處理器內部的計時器產生，允許操作系統以一定規程執行函數。

我們提到了操作系統每過大約15ms會進行一次線程調度，就是利用時鍾中斷來實現的。

I/O中斷流程

本篇文章還是主要解釋前幾篇文章提到的I/O中斷進行解釋說明，因此僅以I/O中斷舉例，但是中斷的原理和流程都是相似的。

I/O中斷通過中斷處理器執行中斷操作。當外部設備的I/O模塊准備好時，它會發送給CPU一個中斷信號，CPU則會“立即”做出響應，暫停當前程序的處理去服務該I/O設備的程序。

也可能不是立即，比如同時存在多個中斷，則根據實際的中斷算法決定，是按中斷先后順序執行中斷操作，還是按中斷優先級執行。
I/O中斷時硬件中斷，需要硬件支持來接收中斷信號。

無中斷

為了更好的說明中斷帶來的性能提升，我們先描述一下沒有中斷時程序如何處理I/O操作。

當我們程序需要從硬盤讀取一個文件時，會先檢查內核緩存中是否有數據，若沒有數據，則執行實際I/O操作。在I/O操作執行時，我們的用戶線程將阻塞等待數據從硬盤寫到內存中。對於用戶來說線程是被阻塞的。
在實際的I/O操作過程中，若沒有中斷操作，CPU會不斷輪詢檢查I/O操作是否完成，若I/O操作沒有完成則繼續調度其他線程，過一會兒再來檢查。若操作完成，CPU將線程加入到線程就緒隊列中並恢復線程上下文信息。
線程處於就緒隊列，可以被操作系統調度從而繼續執行讀操作，此時會將數據從操作系統內核緩存讀取到用戶緩存中。

有中斷

當我們程序需要從硬盤讀取一個文件時，會先檢查內核緩存中是否有數據，若沒有數據，則執行實際I/O操作。在I/O操作執行時，我們的用戶線程將阻塞等待數據從硬盤寫到內存中。對於用戶來說線程是被阻塞的。
在實際的I/O操作過程中，CPU向I/O模塊(DMA控制器)發送讀指令，然后就去調度其他線程。
當I/O模塊(DMA控制器)I/O執行完成后，會產生中斷信號在通知CPU，CPU將線程加入到線程就緒隊列中並恢復線程上下文信息。
線程處於就緒隊列，可以被操作系統調度從而繼續執行讀操作，此時會將數據從操作系統內核緩存讀取到用戶緩存中。

由此可知，有中斷還是沒有中斷對於用戶來說線程都是阻塞的，對於操作系統內核來說通過中斷方式主動通知CPU的方式減少了線程輪詢判斷，提高了線程執行效率。
當然，為了進一步提高線程利用率，此時我們可以通過異步操作API執行I/O操作。
比如.Net4.5的async和await關鍵字，當調用異步操作后，API內部保存了相關狀態機信息(回調信息)，線程繼續執行其他操作，當操作系統內核讀取數據完成時，線程調用回調方法恢復到await的后續操作。整個過程中線程不會因為阻塞帶來導致性能損失。

中斷處理

當I/O設備完成一次I/O操作時，發生以下事件：

開始I/O操作前，處理器將當前處理的相關信息如指令地址、必要的狀態信息等保存到棧中，使得中斷后可以恢復執行。
I/O操作完成后，設備給處理器發送一個中斷信號。
處理器響應中斷信號。
處理器對中斷信號進行判斷，若存在未響應的中斷，則給產生中斷信號的設備發送確認信號，確認信號使得設備取消它的中斷信號。
處理器將控制前轉移給中斷程序中，中斷程序從棧中獲取之前保存的信息，使得能繼續執行I/O完成時的后續操作。
處理器將中斷程序入口地址載入到程序計數器中，使得處理器能繼續執行下一個指令周期。

I/O中斷原理

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什么是中斷

中斷類型

硬件中斷

軟件中斷

I/O中斷流程

無中斷

有中斷

中斷處理

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