异常与进程控制-优快云博客

本文链接：https://blog.youkuaiyun.com/l1024049542/article/details/73008542

8.1 异常

所谓异常就是控制流过程中的突变，用来响应处理器状态中的某些变化；
处理器的状态的变化称为事件（event），事件可能和当前指令的执行相关（虚拟存储器缺页，算术溢出，除数为零），也可能没有关系（定时器信号，I/O请求完成）；
当有异常发生时，处理器会通过异常表（exception table），进入异常处理程序（exception handler）。
通常异常处理程序处理完成之后会有三种情况：
- 处理程序将控制权返回给当前指令
- 处理程序将控制权返回给下一条指令
- 处理程序终止被中断的程序

8.1.1 异常处理

系统中可能的每种异常都分配了一个唯一的非负整数的异常号（exception number），一部分由处理器设计这分配（被零除、缺页、存储器访问违例、断点、算术溢出），一部分由操作系统内核设计者分配（系统调用和I/O设备的信号）；
在启动系统是，操作系统维护了一个异常表，此异常表为一个跳转表；异常表的起始地址存储在异常表基址寄存器（exception table base register）；

异常处理程序调用和一般的过程调用的不同之处
- 一般过程调用时会将返回地址压入栈中，而异常返回时要么返回当前指令，要么是下一条指令
- 处理会把一些处理器的状态压入栈中，返回时重新恢复在这些状态；
- 当控制从用户程序转移到内核时，所有这些项目都会被压入到内核的栈中，而不是用户的栈；
- 异常处理程序运行在内核的模式下，这意味着对所有的系统资源有完全的访问权限；

8.1.2 异常的类别

异常可以为四种：中断（interrupt）、陷阱（trap）、故障（fault）、终止（abort）

中断（中断是异常的一种，异常不等于中断）
- 中断是异步发生的，是来自处理器外部I/O设备信号的结果，而不是由任何一条指令造成的（异步）；
- 中断的过程：
  - I/O设备通过向处理的引脚发送一个发送信号，并将异常号放到系统总线上，以触发中断，异常号标识了触发中断的设备；
  - 处理器注意到引脚的电压发生变化，便从系统总线上读取异常号，然后调用相应的中断处理程序；
  - 当处理程序结束时，返回到下一条指令；

剩下的异常类型（陷阱、故障和终止）是同步发生的，是执行当前指令的结果。此类指令叫做故障指令（faulting instruction）。

陷阱和系统调用
- 陷阱是有意的异常；其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，叫系统调用；
- 当用户程序向内核请求服务时（read、fork、execve、 exit），为了允许对这些内核服务的受控访问，处理器提供了“syscall n”指令；当用户想调用服务n时，调用此指令，会导致到一个异常处理程序的陷阱，此异常处理程序对参数解码（应该是n），并调用相应的内核处理程序；
- 一般的过程调用运行在过程模式（限制了指令的类型、并且在相同的函数栈中），而系统调用运行在内核模式（允许系统调用执行指令（syscall），并且在内核栈中）；

故障
- 由错误引起，可能被修正
- 当故障发生时，它就将控制转移到故障处理程序；如果程序能够修正这个错误的情况，就返回到引起故障的指令，否则返回到内核的abort例程；

终止
- 终止是不可恢复的致命的错误造成的，通常为硬件错误；终止程序不应将控制返回给应用程序；

8.2 进程

异常是允许操作系统提供进程（process）的概念所需要的基本构造块；
进程经典的定义是一个执行中的程序实例；系统中每个程序都是运行在某个进程上下文中的；上下文包括：存储器中的代码和数据、通用寄存器中的内容、程序计数器、栈、环境变量以及打开文件描述符的集合。
进程提供两个关键的抽象：
- 一个独立的逻辑控制流：它提供一个假象，好像程序独占的使用处理器；
- 一个私有的地址空间：它提供一个假象，好像程序独占的使用存储器系统；

8.2.1 逻辑控制流

逻辑控制流就是PC值对应的指令序列；
一个处理器的物理流可以分成多个逻辑流；

8.2.2 并发流

计算机中流有不同的形式：异常处理程序、进程、线程、信号处理程序；
并发流：一个逻辑流在执行时间上与另一个流重叠；
并发：多个流并发的执行的现象；
多任务：一个进程和其他进程轮流执行的概念称为多任务；
时间片：一个进程执行它的控制流的一部分的每一时间段；多任务也叫时间分片
并行流：并发的真子集，如果两个流并发的运行在不同的处理器核或者计算机上，称为并行流；

8.2.3 私有地址空间

一个进程为每个程序提供提供他自己的私有地址空间
和此空间中某个地址相关联的存储器字节时不能被其他进程读写的；
每个私有地址空间的内容不同，但有相同的通用结构；
32位进程代码段从0x08048000开始，64位进程从0x00400000开始；
地址空间顶部保留给内核，包含内核的代码、数据和栈；（例如执行一个系统调用）；

8.2.4 用户模式和内核模式

处理器通常使用某个控制寄存器中的一个模式位（mode bit）来切换用户模式或者内核模式
内核模式可以执行所有的指令和访问任何存储器位置
用户模式则没有上述功能；任何尝试都会导致一般保护故障；必须通过系统调用接口访问内核代码和数据；

8.2.5 上下文切换

操作系统使用上下文切换这种较高形式的异常控制流来实现多任务；上下文切换机制是建立在前面所述的较低层异常机制之上的；
内核为每个进程维护一个上下文（内核重新启动一个被抢占的进程所需要的状态），上下文由：通用目的寄存器、浮点寄存器、程序计数器、用户栈、处理器状态寄存器、内核栈和内核数据结构（描绘地址空间的页表、有关当前进程信息的进程表、包含进程已打开文件的信息的文件表）
内核重新启动一个之前被抢占的进程叫调度，内核中称为调度器；
上下文切换：
- 保存当前进程的上下文；
- 恢复某个先前被抢占的进程的上下文；
- 将控制权交给新恢复的进程

发生上下文切换的情况：

当内核代表用户执行系统调用时，可能发生上下文切换；比如系统调用因为某个事件而阻塞，内核可以让该进程休眠，切换到另一个进程（比如read访问磁盘、sleep）；在此种情况下，在内核中的工作一部分代表进程A，一部分代表进程B。
一般而言，即使系统调用没有发生阻塞，内核也可以决定执行上下文切换；
中断也可以发生上下文切换；比如所有系统都有产生某种周期性定时器中断的机制（1ms或者10ms），每当定时器中断时，切换新的进程；

8.3 系统调用错误处理

当Unix系统级函数遇到错误时，典型的会返回-1，并设置全局变量errno；

if((pid = fork()) < 0){
    fprintf(stderr,"fork error: %s\n",strerror(errno));   //strerror()函数返回错误关联的字符串；
    exit(0);
}

但这样使得代码繁琐，简单一层包装：

if((pid = fork()) < 0)
    unix_error("fork error");

void unix_error(char * msg){
    fprintf(stderr,"%s,%s\n",msg,strerror(errno));
    exit(0);
}

使用错误包装处理函数：

pid_t Fork(void){
    pid_t pid;
    if((pid = fork()) < 0){
        unix_error("fork error");
    }
    return pid;
}

8.4 进程控制

8.4.1 获取进程状态

pid_t getpid(void); //获取当前进程
pid_t getppid(void); //获取父进程

8.4.2 创建和终止进程

进程的三种主要状态：

运行要么再CPU上运行，要么等待且最终被CPU执行；
停止进程的执行被挂起，且不会被调度；
终止进程永久停止
- 收到一个信号，改信号默认终止进程
- 从主程序返回返回值为程序的最终返回状态
- 调用exit()函数参数值为最终的返回状态

创建进程：

pid_t fork(void);

子与父进程的同与不同：

子进程得到父进程虚拟地址空间的一份拷贝，但是是独立的，包括代码段、数据段、推以及用户栈，此外还有文件描述符表（意味着子进程可以操作父进程打开的文件）；
子进程与父进程最大的区别在于有不同的pid；

fork()函数的特点：

调用一次返回两次，一次在父进程中，返回子进程pid；一次在子进程中，返回0；

8.4.3 回收子进程

当进程终止时，还是保存在内核中的，等待被其父进程回收；
当父进程回收子进程时，内核将子进程的退出状态传递给父进程，然后抛弃子进程；（要求父进程回收为了获取子进程退出状态，内核会抛弃子进程，维护系统资源）；终止却未被回收的子进程是僵尸进程；
如果父进程没有回收其子进程就终止，那么由init进程回收；

waitpid（）函数：

pid_t waitpid(pid_t pid,int *status,int options);

参数pid:
- pid > 0 : 等待集合就一个单独的子进程，就是此pid；
- pid = -1：所有子进程；
- Unix进程组
参数options
- WNOHANG 立即返回，不等待；
- WUNTRACED 挂起调用进程，直到等待集合中一个进程被终止或者停止，返回相关pid；
检查子进程退出状态
- status参数非空，则此参数保存函数退出状态；
- WIFEXITED（status）子进程通过exit或者return返回正常终止时，返回真。
  - WEXITSTATUS（status）返回一个正常终止的子进程的状态，依赖于上一个函数返回真；
- WIFSIGNALED（status）如果子进程因为一个未捕获的信号终止，返回真；
  - WTERMSIG （status），返回导致子进程终止的信号的数量，之上上一个函数返回真时；
- WIFSTOPPED（status）如果返回的子进程当前是被停止的，返回真
  - WSTOPSIG（status）返回引起子进程停止的信号的数量；依赖上一个函数返回真；
调用错误
- 当调用进程没有子进程时，返回-1，并且设置errno为ECHILD；
- 函数被一个信号中断，返回-1，并设置errno为EINTR；
wait函数

pid_t wait(int* status); //等价调用waitpid(-1,&status,0);

8.4.4 让进程休眠

unsigned int sleep(unsigned int secs);

如果请求时间到，则返回0；否则（函数被信号中断而过早的返回），返回剩下要休眠的秒数；

int pause(void);

让调用进程休眠，直到该进程收到信号；

8.4.5 加载并运行程序

int execve(const char* filename,const char argv[],const char *envp[]); //调用一次，成功不返回

参数 argv指向一个指针数组，每个指针指向一个参数串；
参数envp指向一个指针数组，每个指针指向一个环境变量串；

在加载了filename之后，execve调用启动代码，启动代码设置栈，并将控制传递给新程序的主函数；

8.5 信号

每种信号类型都对应某种系统事件；底层的硬件异常，是由内核异常处理程序处理的；信号提供了一种机制，通知用户进程发生了这些异常；

8.5.1 信号术语

发送信号
- 内核监测到一个系统事件；
- 一个进程调用kill函数，显式要求内核发送一个信号给目的进程；一个进程可以给自己发送信号。
接收信号
- 当目的进程被内核强制以某种方式对内核做出反应时，目的进程就接收了信号；
- 进程可以忽略这个信号，终止或者通过执行用户层函数信号处理程序；
一个只要发出而没有被接收的信号，叫待处理信号；
在任何时刻，一种类型，至多只有一个待处理信号，多余的同类型信号会被直接抛弃；
一个进程可以有选择的阻塞接收某种信号，此信号仍可被发送，但待处理信号不会被接收，直到进程取消对这种信号的阻塞；
带处理信号最多只能被处理一次，内核为每个进程维护着待处理信号的集合和被阻塞信号的集合；当接收到一个信号时，在集合中标记，当接收时，消除；

8.5.2 发送信号

Unix提供了多种向进程发送进程的机制。这些机制是基于进程组的；

进程组
- 每个进程只属于一个进程组，进程组ID号由正整数表示；
```
pid_t getpgrp(void);//获得当前进程的进程组id   
```
```
int setpgid(pid_t pid,pid_t pgid);
```
- 当pid为0时，改变调用进程，非零时，对应进程
- 当pgid为0时，调用进程pid作为进程组号，非零时对应号；
用/bin/kill程序发送信号

/bin/kill -9 15213 当-15213时，结束进程组号为15213的每一个进程
从键盘发送信号
- 作业： shell对一个命令行求职而创建的进程；
- 任何时刻，只有一个前台作业，0个或者多个后台作业
- 外壳为每个作业创建独立的进程组
- ctrl+c 导致SIGINT被发送到外壳，外壳捕获信号，然后发送到前台进程中的每个进程
用kill函数发送信号
```
int kill(pid_t pid,int sig);
```
- pid > 0,发送给指定进程， pid < 0,给进程组每个进程
用alarm函数发送信号

unsigned int alarm(unsigned int secs);

alarm函数和sleep函数由相似之处，被打断时都会返回剩余秒数
对alarm的调用都会取消正在等待的alarm，并返回秒数；没有真在等待的就返回0；

8.5.3 接收信号

当内核从异常程序返回时，会检查进程的未被阻塞的待处理信号的集合（pending&~block）；原因：被阻塞说明条件还不满足，遂不予处理；
- 当集合为空时，说明没有待处理的消息，直接将逻辑控制流传递给下一条指令；
- 当集合不为空时，内核会选择集合中的某个信号（通常为值最小的那个），并强制进程接收信号，触发对应此信号的处理程序；处理完成后，控制流给下一指令；
- 信号的默认行为：
  - 进程终止（SIGKILL）
  - 进程终止并转储存储器（）
  - 进程停止，直到被SIGCONT信号重启
  - 进程忽略该信号（SIGCHLD）
进程可以使用signal函数修改信号的默认处理行为；
注意: SIGSTOP和SIGKILL是不可忽略的的；

此函数有三种修改关联方法：
- handler为SIG_IGN，忽略该信号；
- handler为SIG_DEF，默认行为
- handler为用户定义的函数地址，则调用此信号处理程序;
当处理程序处理完时，控制通常会返回给下一个指令；但在某些系统中，被中断的系统掉用，会立即返回一个错误；（下面将讲述）；
信号处理程序的逻辑控制流与主函数的逻辑控制流重叠；

8.5.4 信号处理问题

待处理信号被阻塞： 当当前的正在处理的信号处理程序是刚到达的信号类型时，待处理信号会被阻塞；
待处理信号不会排队等待：当有两个同类型的信号到达，且此类型的处理程序正在运行，信号被阻塞，且第二个信号直接被丢弃；所以不能用消息进行事件计数
系统调用可以被中断：像read、wait、accept这样会阻塞进程一段时间的（慢速系统调用），当处理程序捕获到一个信号时，被中断的系统调用返回时不再继续，直接返回错误；