電腦的異常控制：中斷、陷阱、故障、終止、進程環境切換、訊號

總結《深入理解電腦系統》：異常控制流程

1，電腦中的異常處理機制：處理器設計人員（如被零除、缺頁，儲存空間訪問違例等）以及作業系統開發人員（如系統調用以及來自外部的IO裝置訊號等）為每種類型的異常分配了一個唯一的非負整數異常號。在系統啟動時，作業系統分配和初始化一張成為異常表的跳轉表，該表使用異常號k作為

索引，以每種類型的例外處理常式地址作為值。當處理器檢測到一個事件（比如CPU根據管腳狀態確定事件類型）發生時，確定異常號k，然後通過異常表目k轉到相應的處理常式。異常表的地址通常儲存在“異常表基底位址暫存器”中。

2，異常處理過程類似於程序呼叫：都會儲存當前寄存器狀態，和返回地址。

但是，（1）異常處理的返回地址要麼是當前執行指令，要麼是當前執行指令的下一條指令。

 （2）異常發生時，如果此時核心代表使用者程式執行（比如說系統調用），這些狀態將會被壓入到核心棧，而不是壓入到使用者棧（程序呼叫壓入           方式）。

         （3）此外，對於例外處理常式通常運行在核心模式，此時對於所有的系統資源具有存取權限。

3，異常的類別

     （1）中斷：中斷是非同步發生的，來自處理器外部IO裝置的訊號（區別於同步異常：執行一條指令的結果），它不是由任何一條專門的指令造成的。例如網路介面卡、磁碟控制卡通過向處理器晶片上的一個管腳發訊號，並將異常號放在系統匯流排上，來觸發中斷，這個異常號標識了引起中斷的裝置。中斷處理常式總是返回到當前指令的下一條指令。

（2）陷阱：陷阱是同步異常，是執行一條指令的結果。陷阱最重要的用途是在使用者程式和核心之間提供系統調用介面。陷阱總返回到當前指令的

下一條指令。

（3）故障：故障由錯誤引起，它可能被故常處理常式修正，如果修正成功，將返回到當前正在執行的指令，重新執行。否則處理常式返回到核心的abort曆程，將終止故障程式。故障的一個典型是缺頁異常。

（4）終止：由不可恢複的知名錯誤造成的結果，處理常式將返回到核心中的abort常式，終止應用程式。

4，進程的環境切換（context switch）

核心為每個進程維護了一個上下文。上下文就是核心重新啟動一個被搶佔進程所需要的狀態集：通用寄存器，浮點寄存器，程式計數器，使用者棧，狀態寄存器，核心棧和各種核心資料結構（比如也表，進程表，檔案表等）。核心通過調度器來搶佔一個執行的進程：

（1）保護當前進程的上下文

（2）恢複某個先前被搶佔進程所儲存的上下文

（3）將控制傳遞給新回複的進程。

以下情況會發生環境切換：

（1）當核心代表使用者執行系統調用時。例如，系統調用因等待某個事件而發生阻塞，那麼核心可以讓當前進程休眠，切換到另一個進程，比如read請求磁碟訪問。

（2）使用者程式調用sleep系統調用，顯式的讓調用進程休眠。

（3）中斷可能引發環境切換。比如所有的系統都有某種產生周期性定時器中斷的機制，典型的位1毫秒或10毫秒。每次發生定時器中斷時，核心判斷當前進程是否已經運行了足夠長的時間，並切換到另一個進程。

5，Unix訊號

一個訊號就是一條訊息，它通知進程一個某種類型的時間已經在系統中發生。每種訊號都對應某個類型的系統時間。

（1）底層的硬體異常是由核心例外狀況處理常式處理的，對使用者進程通常不可見，而訊號提供了向使用者進程通知這些異常發生的機制。比如：一個進程試圖除以0，核心就會發送SIGFPE訊號。

（2）其他的訊號對應於核心或者其他使用者中較高層次的軟體事件。比如SIGINT、SIGKILL等。