CSAPP讀書筆記--第八章 異常控制流程

標籤：計劃執行   for   order   筆記   進入   改變   處理器   會計   地址   

第八章 異常控制流程概述

控制轉移序列叫做控制流程。目前為止，我們學過兩種改變控制流程的方式：

　　1）跳轉和分支；

　　2）調用和返回。

但是上面的方法只能控製程序本身，發生以下系統狀態的變化複雜問題時就沒法使用上面的方法控制：

• 資料從磁碟或者網路介面卡到達
• 指令除以了零
• 使用者按下 ctrl+c
• 系統的計時器到時間

　　現代系統通過使控制流程發生突變來對系統狀態的變化做出反應，這些突變稱為異常控制流程。

　　異常控制流程有四種實現機制：

1）異常（低層級）；2）進程環境切換；3）訊號；4）非本地跳轉。（2-4高層級）

8.1 異常

        異常（exception）就是控制流程中的突變，用來響應處理器狀態中的某些變化。這裡的異常是指將控制交給系統核心來處理某些事情。

核心是作業系統常駐記憶體的部分。

　　任何情況下，當處理器檢測到有事件發生時，它會通過一張就做異常表的跳轉表，進行一個間接過程的調用，使用例外處理常式（運行在核心模式下）來處理這類事件。這類事件包括被零除、缺頁、算術溢位、I/O請求完成。例外處理常式完成處理後，會發生以下三種情況：

　　1）處理常式將控制放回給當前指令Icurr,即事件發生時正在執行的指令。

　　2）將控制返回給Inext;

　　3）終止被中斷的程式。

　

　　系統中為每種類型的異常都分配了一個唯一的非負整數的異常號，系統會通過異常表來確定跳轉的位置，每個事件都有對應的異常號，發生對應事件就調用對應的異常處理代碼。 

異常的類別

 異常分為非同步異常和同步異常。非同步異常是硬體中斷（稱為中斷處理常式），是有外部IO裝置造成的，同步異常是執行當前指令的結果（稱為故障指令）。

陷阱屬於系統調用，運行在核心模式中，而普通的程式調用運行在使用者模式中，限制了函數可以執行的指令的類型。

類別	原因	非同步/同步	返回行為
中斷	來自I/O裝置的訊號	非同步	總是返回到下一條指令
陷阱	有意的異常（read，exit）	同步	總是返回到下一條指令
故障	潛在可恢複的錯誤	同步	可能返回到當前指令
終止	不可恢複的錯誤	同步	不會返回

 

 這裡重點分析一下故障異常，以缺頁異常故障為例：

缺頁異常發生的條件是：指令引用一個虛擬位址，但是與該地址相對應的物理頁面不在記憶體中，因此必須從磁碟中讀取，就會發生故障。

• 使用者寫入記憶體位置
• 但該位置目前還不在記憶體中

 

int a[1000];main (){    a[500] = 13;}

那麼系統會通過 Page Fault 把對應的部分載入到記憶體中，然後重新執行指派陳述式：

 

 8.2 進程

　　通俗的定義是：佔用記憶體空間的正在啟動並執行程式。經典的定義是：一個執行中的程式的執行個體。進程提供給應用程式的關鍵抽象：1）一個獨立的邏輯控制流程；2）一個私人的地址空間。

　　並發流的概念：流X和Y互相併發，若且唯若X在Y開始之後和Y結束之前進行。或者Y在X開始之後和X結束之前開始。

　　環境切換：1)儲存當前進程的上下文；2）恢複某個先前被搶佔的進程被儲存的上下文；3）將控制傳遞給這個新恢複的進程。

8.3 進程式控制制

擷取進程ID：

#include<sys/types.h>#include<unistd.h>pid_t getpid(void);pid_t getppid(void);

getpid返回調用進程的PID，getppid返回它的父進程的PID。

我們可以認為，進程有三個主要狀態：

• 運行 Running
  • 正在被執行、正在等待執行或者最終將會被執行
• 停止 Stopped
  • 執行被掛起，在進一步通知前不會計劃執行
• 終止 Terminated
  • 進程被永久停止

另外的兩個狀態稱為建立(new)和就緒(ready)，這裡不再贅述。

fork()函數建立進程。

#include<sys/types.h>#include<unistd.h>pid_t fork(void);//子進程返回0，父進程返回子進程的PID，如果出錯，則返回-1

需要注意：

• 調用一次，返回兩次；
• 並發執行；
• 相同但是獨立的地址空間；
• 共用檔案。

進程圖

通過畫進程圖來理解fork函數：

• 每個節點代表一條執行的語句
• a -> b 表示 a 在 b 前面執行
• 邊可以用當前變數的值來標記
• printf 節點可以用輸出來進行標記
• 每個圖由一個入度為 0 的節點作為起始

int main(){    pid_t pid;    int x = 1;        pid = Fork();    if (pid == 0)     {   // Child        printf("child! x = %d\n", --x);        exit(0);    }        // Parent    printf("parent! x = %d\n", x);    exit(0);}

 

在下面三種情況時，進程會被終止：

1. 接收到一個終止訊號
2. 返回到 main
3. 調用了 exit 函數

exit 函數會被調用一次，但從不返回，具體的函數原型是

// 以 status 狀態終止進程，0 表示正常結束，非零則是出現了錯誤void exit(int status)

 

 8.4 回收子進程

　　一個終止了但是沒有被回收的進程稱為殭屍進程。如果父進程已經終止了，那麼對應的沒終止的子進程就稱為孤兒進程。對於孤兒進程，核心會安排init進程稱為他的孤兒進程的養父。init進程的PID是1，是在作業系統啟動後由核心建立的，init進程會回收孤兒進程。

　　一個進程可以調用waitpid函數來等待它的子進程終止或者停止。

#include<sys/types.h>#include<sys.wait.h>pid_t waitpid(pid_t pid,int *statusp,int options);//pid 等待終止的目標子進程的ID，如果傳遞-1，則與wait函數相同，可以等待任意子進程終止//statusp 傳入變數的地址值//如果設定為WNOHANG，即使沒有終止的子進程也不會進入阻塞狀態，而是返回0並且退出
//如果成功則返回子進程的ID，如果是WNOHANG，則為0，出錯則為-1

• WIFEXITED子進程正常終止時則返回真；
• WEXITSTATUS返回子進程的傳回值。

if(WIFEXITED(statusp)){//是正常終止嗎？    puts("Normal termination!");    printf("Child pass num:%d",WEXITSTATUS(statusp));//那麼傳回值是多少？}

如果想在子進程載入其他的程式，就需要使用 execve 函數，具體可以查看對應的 man page，這裡不再深入。

 

8.5 訊號

　　Linux 的進程樹，可以通過 pstree 命令查看。

　　對於前台進程來說，我們可以在其執行完成後進行回收，而對於後台進程來說，因為不能確定具體執行完成的時間，所以終止之後就成為了殭屍進程，無法被回收並因此造成記憶體泄露。

編號	名稱	預設動作	對應事件
2	SIGINT	終止	使用者輸入 ctrl+c
9	SIGKILL	終止	終止程式（不能重寫或忽略）
11	SIGSEGV	終止且 Dump	段衝突 Segmentation violation
14	SIGALRM	終止	時間訊號
17	SIGCHLD	忽略	子進程停止或終止

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

　

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

　

CSAPP讀書筆記--第八章 異常控制流程