深入理解计算机系统第八章

异常流控制

从给处理器加电开始，直到你断电为止，程序计数器假设一个值 a1,a2,a3...的序列其中，每个 ak 是某个相应的指令 Ik 的地址。每次从 ak 到 ak+1 的过渡称为控制转移（controltransfer) 。这样的控制转移序列叫做处理器的控制流（flow of control 或 control flow) 。

现代系统通过使控制流发生突变来对这些情况做出反应.。—般而言，我们把这些突变称为异常控制流（ ECF) 。异常控制流发生在计算机系统的各个层次。

异常

异常是异常控制流的一种形式，它一部分由硬件实现，一部分由操作系统实现。因为它们有一部分是由硬件实现的，所以具体细节将随系统的不同而有所不同。然而，对于每个系统而言，基本的思想都是相同的。

异常 ( exception ) 就是控制流中的突变，用来响应处理器状态中的某些变化。

在任何情况下，当处理器检测到有事件发生时，它就会通过一张叫做异常表（exception table) 的跳转表，进行一个间接过程调用（异常），到一个专门设计用来处理这类事件的操作系统子程序（异常处理程序（exception handler):)., 当异常处理程序完成处理后，根据引起异常的事件的类型，会发生以下 3 种情况中的一种：

1) 处理程序将控制返回给当前指令I curr 即当事件发生时正在执行的指令。

2) 处理程序将控制返回给下一个指令 I next，如果没有发生异常将会执行的下一条指令。

3) 处理程序终止被中断的程序。

异常处理

异常可能会难以理解，因为处理异常需要硬件和软件紧密合作。

系统中可能的每种类型的异常都分配了一个唯一的非负整数的异常号（exceptionber)。其中一些号码是由处理器的设计者分配的，其他号码是由操作系统内核（操作系统常驻内存的部分）的设计者分配的。

前者的示例包括被零除、缺页、内存访问违例、断点以及算术运算溢出。后者的示例包括系统调用和来自外部 I/O 设备的信号。

异常分类

1.中断

中断是异步发生的，是来自处理器外部的 I/O 设备的信号的结果。硬件中断不是由任何一条专门的指令造成的，从这个意义上来说它是异步的。硬件中断的异常处理程序常常称为中断处理程序（interrupt handler)

2.陷阱和系统调用

陷阱是有意的异常，是执行一条指令的结果。就像中断处理程序一样，陷阱处理程序将控制返回到下一条指令。陷阱最重要的用途是在用户程序和内核之间提供一个像过程一样的接口，叫做系统调用。

3.故障

故障由错误情况引起，它可能能够被故障处理程序修正。当故障发生时，处理器将控制转移给故障处理程序。如果处理程序能够修正这个错误情况，它就将控制返回到引起故障的指令，从而重新执行它。否则，处理程序返回到内核中的 abort 例程， abort 例程会终止引起故障的应程序。

4.终止

终止是不可恢复的致命错误造成的结果，通常是一些硬件错误，比如 DRAM 或者SRAM 位被损坏时发生的奇偶错误。

进程

异常是允许操作系统内核提供进程 (process) 概念的基本构造块，进程是计算机科学中最深刻、最成功的概念之一。

系统中的每个程序都运行在某个进程的上下文（context) 中。上下文是由程序正确运行所需的状态组成的。这个状态包括存放在内存中的程序的代码和数据，它的栈、通用目的寄存器的内容、程序计数器、环境变量以及打开文件描述符的集合。

操作系统内核使用一种称为上下文切换 (context switch) 的较高层形式的异常控制流来实现多任务。

逻辑控制流

即使在系统中通常有许多其他程序在运行，进程也可以向每个程序提供一种假象，好像它在独占地使用处理器。如果想用调试器单步执行程序，我们会看到一系列的程序计数器 (PC) 的值，这些值唯一地对应于包含在程序的可执行目标文件中的指令，或是包含在运行时动态链接到程序的共享对象中的指令。这个 PC 值的序列叫做逻辑控制流，或者简称逻辑流。

并发流

一个逻辑流的执行在时间上与另一个流重叠，称为并发流（concurrent flow), 这两个流被称为并发地运行。

多个流并发地执行的一般现象被称为并发（concurrency)。一个进程和其他进程轮流运行的概念称为多任务（ multitasking ) 。一个进程执行它的控制流的一部分的每一时间段叫做时间片。因此，多任务也叫做时间分片（time slicing)。

注意，并发流的思想与流运行的处理器核数或者计算机数无关。如果两个流在时间上重叠，那么它们就是并发的，即使它们是运行在同一个处理器上。不过，有时我们会发现确认并行流是很有帮助的，它是并发流的一个真子集。如果两个流并发地运行在不同的处理器核或者计算机上，那么我们称它们为并行流（parallel flow), 它们并行地运行（runningin parallel)。且并行地执行（parallel execution)。

用户模式和内核模式

为了使操作系统内核提供一个无懈可击的进程抽象，处理器必须提供一种机制，限制一个应用可以执行的指令以及它可以访问的地址空间范围。处理器通常是用某个控制寄存器中的一个模式位（mode bit) 来提供这种功能的，该寄存器描述了进程当前享有的特权。当设置了模式位时，进程就运行在内核模式中（有时叫做超级用户模式）。一个运行在内核模式的进程可以执行指令集中的任何指令，并且可以访问系统中的任何内存位置。

没有设置模式位时，进程就运行在用户模式中。用户模式中的进程不允许执行特权指令(privileged instruction), 比如停止处理器、改变模式位，或者发起一个 I/O 操作。也不允许用户模式中的进程直接引用地址空间中内核区内的代码和数据。任何这样的尝试都会导致致命的保护故障。反之，用户程序必须通过系统调用接口间接地访问内核代码和数据。

运行应用程序代码的进程初始时是在用户模式中的。进程从用户模式变为内核模式的唯一方法是通过诸如中断、故障或者陷人系统调用这样的异常。当异常发生时，控制传递到异常处理程序，处理器将模式从用户模式变为内核模式。处理程序运行在内核模式中，当它返回到应用程序代码时，处理器就把模式从内核模式改回到用户模式。

信号

一种更髙层的软件形式的异常，称为 Linux 信号，它允许进程和内核中断其他进程。一个信号就是一条小消息，它通知进程系统中发生了一个某种类型的事件。

发送信号

内核通过更新目的进程上下文中的某个状态，发送（递送）一个信号给目的进程。发送信号可以有如下两种原因：

1) 内核检测到一个系统事件，比如除零错误或者子进程终止。

2) — 个进程调用了 kill 函数（在下一节中讨论），显式地要求内核发送一个信号给目的进程。一个进程可以发送信号给它自己。

接收信号

当目的进程被内核强迫以某种方式对信号的发送做出反应时，它就接收了信号。进程可以忽略这个信号，终止或者通过执行一个称为信号处理程序的用户层函数捕获这个信号。

一个发出而没有被接收的信号叫做待处理信号（pending signal) 在任何时刻，一种类型至多只会有一个待处理信号。如果一个进程有一个类型为k 的待处理信号，那么任何接下来发送到这个进程的类型为 k的信号都不会排队等待；它们只是被简单地丢弃。一个进程可以有选择性地阻塞接收某种信号。当一种信号被阻塞时，它仍可以被发送，但是产生的待处理信号不会被接收，直到进程取消对这种信号的阻塞。

一个待处理信号最多只能被接收一次。内核为每个进程在 pending 位向量中维护着待处理信号的集合，而在 blocked 位向量中维护着被阻塞的信号集合。只要传送了一个类型为 k的信号，内核就会设置 pending 中的第 k位，而只要接收了一个类型为 k的信号，内核就会清除 penaing 中的第 k位。

非本地跳转

C 语言提供了一种用户级异常控制流形式，称为非本地跳转（nonlocal jump), 它将控制直接从一个函数转移到另一个当前正在执行的函数，而不需要经过正常的调用 - 返回序列。非本地跳转是通过 setjmp 和 longjmp 函数来提供的。