异常控制流

现代操作系统必须能够对系统状态的变化做出反应，这些系统状态不是被内部程序变量捕获的，而且也不一定要和程序的执行相关。比如，一个硬件定时器定期产生信号，这个事件必须得到处理。包到达网络适配器后，必须存放在内存中。程序向磁盘请求数据，然后休眠，直到被通知说数据已就绪。当子进程终止时，创造这些子进程的父进程必须得到通知。

现代系统通过使控制流发生突变来对这些情况做出反应。一般而言，我们把这些突变称为异常控制流（Exceptional Control Flow，ECF）。

异常控制流发生在计算机系统的各个层次。

• 在硬件层，硬件检测到的事件会触发控制突然转移到异常处理程序。
• 在操作系统层，内核通过上下文切换将控制从一个用户进程转移到另一个用户进程。
• 在应用层，一个进程可以发送信号到另一个进程，而接收者会将控制突然转移到它的一个信号处理程序。—个程序可以通过回避通常的栈规则，并执行到其他函数中任意位置的非本地跳转来对错误做出反应。
  像 C++ 和 Java 这样的语言通过 try、catch 以及 throw 语句来提供软件异常机制。软件异常允许程序进行非本地跳转（即违反通常的调用/返回栈规则的跳转）来响应错误情况。非本地跳转是一种应用层 ECF，在 C 中是通过 setjmp 和 longjmp 函数提供的。理解这些低级函数将帮助你理解高级软件异常如何得以实现。

异常

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：

• 处理程序将控制返回给当前指令 ，即当事件发生时正在执行的指令。
• 处理程序将控制返回给下一条指令，如果没有发生异常将会执行的下一条指令。
• 处理程序终止被中断的程序。

异常的分类

异常可以分为四类：中断（interrupt），陷阱（trap）、故障（fault）和终止（abort）。图 8-4 中的表对这些类别的属性做了小结。

类别	原因	异步/同步	返回行为
中断	来自 I/O 设备的信号	异步	总是返回到下一条指令
陷阱	有意的异常	同步	总是返回到下一条指令
故障	潜在可恢复的错误	同步	可能返回到当前指令
终止	不可恢复的错误	同步	不会返回

软中断又叫做编程异常(programmed exception)，是异常的一种。在计算机中，中断可以分为同步中断和异步中断两种。

• 同步中断：同步中断也叫做异常。同步中断是当指令执行时由CPU控制单元产生，并且只有在该指令终止执行后CPU才会发出中断。
• 异步中断：异步中断也叫做中断。异步中断是由其他硬件设备随机产生的。 异步中断又可以细分为处理器探测异常(process-detected exception)和编程异常(programmed exception)。具体细分如下：
  • 处理器探测异常：处理器探测异常是当CPU执行指令时探测到的一个反常条件所产生的异常。根据CPU控制单元产生异常时保存在内核态堆栈EIP寄存器的值，可以将处理器探测异常分为3类：
    • 故障(trap)：故障通常可以纠正。发生故障时保存在EIP中的值是引起故障的指令地址。因此，当异常处理程序顺利完成，即故障纠正，就会重新执行引起故障的那条指令。缺页异常就是基于这个机制。
    • 陷阱(trap)：陷阱指令执行后会立即报告给CPU。保存在内核态堆栈EIP的值是一个随后要执行的指令地址。因此，当陷阱处理程序终止时，就会接着执行下一条指令。只有当没有必要重新执行已终止的指令时，才触发陷阱。陷阱的主要用途是为了调试程序。
    • 异常终止(abort)：异常中止出现在发生了一个严重的错误。此时控制单元出了问题，不能在内核态堆栈EIP寄存器中保存引起异常的指令所在的确切位置。因此，异常中止会使受影响的进程终止。
  • 编程异常：编程异常在编程者发出请求时发生。控制单元把编程异常作为陷阱来处理。因此，编程异常和陷阱类似，当编程异常处理程序终止时，紧接着执行下一条指令。

参考

1. 软中断和硬中断
2. Linux硬中断和软中断