计算机的异常控制：中断、陷阱、故障、终止、进程上下文切换、信号

总结《深入理解计算机系统》：异常控制流

1，计算机中的异常处理机制：处理器设计人员（如被零除、缺页，存储器访问违例等）以及操作系统开发人员（如系统调用以及来自外部的IO设备信号等）为每种类型的异常分配了一个唯一的非负整数异常号。在系统启动时，操作系统分配和初始化一张成为异常表的跳转表，该表使用异常号k作为

索引，以每种类型的异常处理程序地址作为值。当处理器检测到一个事件（比如CPU根据管脚状态确定事件类型）发生时，确定异常号k，然后通过异常表目k转到相应的处理程序。异常表的地址通常保存在“异常表基址寄存器”中。

2，异常处理过程类似于过程调用：都会保存当前寄存器状态，和返回地址。

但是，（1）异常处理的返回地址要么是当前执行指令，要么是当前执行指令的下一条指令。

 （2）异常发生时，如果此时内核代表用户程序执行（比如说系统调用），这些状态将会被压入到内核栈，而不是压入到用户栈（过程调用压入            方式）。

         （3）此外，对于异常处理程序通常运行在内核模式，此时对于所有的系统资源具有访问权限。

3，异常的类别

     （1）中断：中断是异步发生的，来自处理器外部IO设备的信号（区别于同步异常：执行一条指令的结果），它不是由任何一条专门的指令造成的。例如网络适配器、磁盘控制器通过向处理器芯片上的一个管脚发信号，并将异常号放在系统总线上，来触发中断，这个异常号标识了引起中断的设备。中断处理程序总是返回到当前指令的下一条指令。

（2）陷阱：陷阱是同步异常，是执行一条指令的结果。陷阱最重要的用途是在用户程序和内核之间提供系统调用接口。陷阱总返回到当前指令的

下一条指令。

（3）故障：故障由错误引起，它可能被故常处理程序修正，如果修正成功，将返回到当前正在执行的指令，重新执行。否则处理程序返回到内核的abort历程，将终止故障程序。故障的一个典型是缺页异常。

（4）终止：由不可恢复的知名错误造成的结果，处理程序将返回到内核中的abort例程，终止应用程序。

4，进程的上下文切换（context switch）

内核为每个进程维护了一个上下文。上下文就是内核重新启动一个被抢占进程所需要的状态集：通用寄存器，浮点寄存器，程序计数器，用户栈，状态寄存器，内核栈和各种内核数据结构（比如也表，进程表，文件表等）。内核通过调度器来抢占一个执行的进程：

（1）保护当前进程的上下文

（2）恢复某个先前被抢占进程所保存的上下文

（3）将控制传递给新回复的进程。

以下情况会发生上下文切换：

（1）当内核代表用户执行系统调用时。例如，系统调用因等待某个事件而发生阻塞，那么内核可以让当前进程休眠，切换到另一个进程，比如read请求磁盘访问。

（2）用户程序调用sleep系统调用，显式的让调用进程休眠。

（3）中断可能引发上下文切换。比如所有的系统都有某种产生周期性定时器中断的机制，典型的位1毫秒或10毫秒。每次发生定时器中断时，内核判断当前进程是否已经运行了足够长的时间，并切换到另一个进程。

5，Unix信号

一个信号就是一条消息，它通知进程一个某种类型的时间已经在系统中发生。每种信号都对应某个类型的系统时间。

（1）底层的硬件异常是由内核异常处理程序处理的，对用户进程通常不可见，而信号提供了向用户进程通知这些异常发生的机制。比如：一个进程试图除以0，内核就会发送SIGFPE信号。

（2）其他的信号对应于内核或者其他用户中较高层次的软件事件。比如SIGINT、SIGKILL等。