How do interrupts in multicore/multicpu machines work?

在多核或多处理器系统中，中断处理是操作系统中非常关键的一个组成部分，主要负责响应和处理硬件或软件发出的信号。中断可以让处理器响应外部或内部的事件，比如硬件设备的请求或者软件应用的命令。

中断的基本工作流程

1. 中断请求（Interrupt Request, IRQ）: 当硬件设备需要CPU注意时，它会发送一个中断请求到中断控制器。
2. 中断控制器: 在多核系统中，中断控制器如APIC（高级可编程中断控制器）负责接收来自各种硬件设备的中断请求，并决定将这些请求发送到哪个处理器。
3. 中断向量: 每个中断请求都关联着一个中断向量，这个向量指向处理该中断的具体代码（中断服务例程 ISR）的入口地址。
4. 中断处理: 被选中的处理器会接收到中断信号，保存当前执行的上下文，并跳转到对应的中断服务例程来处理中断。
5. 上下文切换: 处理中断可能涉及当前运行进程与中断服务例程之间的上下文切换。
6. 任务处理完成后的返回: 中断处理完成后，处理器会恢复之前的上下文，并继续执行被中断的任务。

多核环境下的中断处理

在多核环境下，中断处理具有以下几个特点：

• 中断亲和性(Affinity): 操作系统可以设定某些中断由特定的CPU核心处理，这叫做中断亲和性。这样做可以减少不同处理器之间的切换，优化系统性能。

• 负载均衡: 中断控制器通常会尝试均匀地将中断请求分配给不同的处理器，以避免某一处理器过载而其他处理器空闲。

• 同步和锁: 如果多个处理器需要访问共享资源，必须正确管理同步和锁机制，以防止数据竞态和保持数据一致性。

实际例子

举个例子，假设一个多核服务器运行一个网络密集型应用，网络接口卡（NIC）会频繁地产生中断请求处理网络数据包。如果所有的中断请求都由单一的CPU核心处理，那么该核心可能很快成为性能瓶颈。通过设置中断亲和性，将网络中断分配给多个核心，可以显著提高网络处理能力和整体系统性能。

总之，多核/多处理器中的中断处理是一个高度优化和细致调度的过程，它确保系统能高效、公平地响应各种硬件和软件的请求。