一个进程在执行过程中可以被中断事件打断_计算机 | 码农们都需要知道的中断相关知识...

什么是中断

中断就是被打断的意思。生活中充满了中断，甚至可以说生活中离不开中断。

比如我们正在写代码时，被领导叫出去谈话，打断了当前的工作，这就是中断。而且这个中断有点“意外”，因为没人提前告知我们。

当然也有很多可以预期的中断，比如水喝多之后要去厕所，就必须打断当前工作，这就是可以预期的，还有中午要出去吃饭，也要打断当前工作，自然也算中断。

宏观上看计算机是在运行着一些软件，其实质是CPU在执行着这些软件的程序代码。CPU的执行过程也是可以被打断的，这就是和计算机相关的中断。

因此，不管采用什么形式或基于什么原因，只要是打断了CPU的当前执行，都算中断。

为什么会有中断

生活中的中断存在的很自然，似乎不需要什么理由。同样，计算机中的中断也不难理解。

CPU无疑是一个计算机的核心部件，许多工作都需要它参与，比如鼠标、键盘、网卡、磁盘等等这些外部设备的正常运转都离不开它。

同样，CPU又是非常宝贵的计算资源，为了使资源利用率最大化，我们必须制定出一个较好的和CPU打交道的方式，来尽量不浪费CPU的时间。这种方式就是中断。

就拿网卡来讲，CPU并不知道什么时候数据包会来到，但又不可能一直等着接收数据包，要是这样的话效率太低了。所以合理的办法是，数据包来到之后，进行一个通知，然后CPU再参与处理，怎么通知呢？

答案当然是中断！键盘、鼠标亦是如此！因此中断传达的就是，当把所有的准备工作都做好后，比如数据已到位，再去中断CPU，让它参与处理。这样才能保证不浪费它的时间。

现在的计算机都可以同时运行多个任务，但是CPU通常都是一个，我们知道一个CPU在同一时刻只能运行一个程序，所以底层都是通过时间片来轮换执行的。

计算机里都有定时机制，当一个时间片用完时，定时器会给CPU一个中断，告诉它当前正在执行的程序时间用完了，于是CPU就把它换出来，转而执行下一个程序。

这种时间片的轮换机制就是通过中断实现的。此外，计算机里的一些其它功能，也是通过中断实现的。

中断的本质

中断本质上是一种特殊的电信号，由硬件设备生成，并直接送入中断控制器的输入引脚上，再由中断控制器向CPU发送INT信号申请CPU来执行刚才的硬件操作，并且将中断类型号也发给CPU，CPU一经检测到此信号，便中断自己当前工作转而处理中断。

CPU根据中断类型号找到它的中断向量(即中断程序在内存中的地址)，然后去执行这段程序(这段程序已经写好，在内存中)，执行完后再向中断控制器发送一个INTA信号表示其已经处理完刚才的申请。此时CPU就可以继续做它刚才被打断的工作了。

不同的设备对应的中断不同，而每个中断都通过一个唯一的数字标识。这些中断值通常被称为中断请求(IRQ)线。比如，IRQ0是时钟中断，而IRQ1是键盘中断。并不是所有的中断号都这样严格定义，像PCI总线上的设备，中断就是动态分配的。

中断是申请并获得CPU处理的一种机制，是外部设备与CPU之间通信的方式，如硬盘读写服务请求中断。当然中断也可以和硬件设备无关，如服务请求，任务完成提醒等都是软件中断。

中断是异步的，因为从逻辑上来说，中断的产生与当前正在执行的进程无关，即中断可以比较自由的产生，所以中断也是CPU实现并发执行的关键，也是操作系统工作的根本。

当发生了中断，就意味着需要操作系统的介入，开展管理工作。由于操作系统的管理工作(如进程切换、分配IO设备)需要使用特权指令，因此CPU要从用户态转换为核心态。

中断就可以使CPU从用户态转换为核心态，使操作系统获得计算机的控制权，并且中断是唯一途径。

中断的分类

根据中断源的不同，可把中断分为硬件中断和软中断两大类。

硬件中断：

硬件中断是由与系统相连的外设(比如网卡 硬盘 键盘等)自动产生的，每个设备或设备集都有他自己的IRQ(中断请求线), 基于IRQ, CPU可以将相应的请求分发到相应的硬件驱动上(注: 硬件驱动通常是内核中的一个子程序, 而不是一个独立的进程)。比如当网卡收到一个数据包的时候, 就会发出一个中断。

处理中断的驱动是需要运行在CPU上的, 因此, 当中断产生时, CPU会暂时停止当前执行的程序转而执行中断请求。一个中断只能中断一颗CPU(也有一种特殊情况, 就是在大型主机上是有硬件通道的, 它可以在没有主CPU的支持下, 同时处理多个中断)。

硬件中断可以直接中断CPU，它会引起内核中相关代码被触发，对于那些需要花费时间去处理的进程，中断代码本身也可以被其他的硬件中断中断。

对于时钟中断，内核调度代码会将当前正在运行的代码挂起，从而让其它代码来运行。它的存在是为了让调度代码(或称为调度器)可以调度多任务。

软中断：

软中断的处理类似于硬中断，但只有当前正在运行的代码(或进程)才会产生软中断。

通常软中断是对一些I/O的请求。

软中断不会直接中断CPU，而是一种需要内核为正在运行的进程去做一些事情(通常为I/O)的请求。

有一个特殊的软中断是Yield调用，它的作用是请求内核调度器去查看是否有一些其他的进程可以运行。

硬件中断和软中断的区别：

硬件中断是由外设引发的，软中断是执行中断指令产生的。

硬件中断的中断号是由中断控制器提供的，软中断的中断号由指令直接指出，无需使用中断控制器。

硬件中断是可屏蔽的，软中断不可屏蔽。

硬件中断处理程序要确保它能快速地完成任务，这样程序执行时才不会等待较长时间，称为上半部。

软中断处理硬中断未完成的工作，是一种推后执行的机制，属于下半部。

同样根据来源的不同，又把中断分为内部中断和外部中断。

内部中断的信号来自于CPU内部，与当前执行的指令有关。而内部中断按事件是否正常来划分可分为软中断和异常两种。

其中软中断是由软件主动发起的中断，常被用于系统调用(system call)，而异常则是指令执行期间CPU内部产生的错误引起的。异常也和不可屏蔽中断一样不受eflags寄存器的IF位影响，区别在于不可屏蔽中断发生的事件会导致处理器无法运行(如断电、电源故障等)，而异常则是影响系统正常运行的中断(如除0、越界访问等)。

外部中断的中断事件来源于CPU外部，与当前执行的指令无关。必然是某个硬件产生的，所以外部中断又被称为硬件中断(hardware interrupt)。计算机的外部设备，如网卡、声卡、显卡等都能产生中断。如用户强制结束一个进程、IO设备的操作便会发生中断信号。

按照是否可以被屏蔽，外部中断还可分为可屏蔽中断(maskable interrupt)和不可屏蔽中断(non-maskable interrupt)两种。

不可屏蔽中断源一旦提出请求，CPU必须无条件响应，而对于可屏蔽中断源的请求，CPU可以响应，也可以不响应。

在x86架构的处理器中，CPU一般设置两根中断请求输入线：可屏蔽中断请求INTR(Interrupt Require)和不可屏蔽中断请求NMI(Nonmaskable Interrupt)。

对于可屏蔽中断，除了受本身的屏蔽位的控制外，还都要受一个总的控制，即CPU标志寄存器中的中断允许标志位IF(Interrupt Flag)的控制，IF位为1，可以得到CPU的响应，否则，得不到响应。IF位可以由用户控制，指令STI或Turbo c的Enable()函数，将IF位置1(开中断)，指令CLI或Turbo_c 的Disable()函数，将IF位清0(关中断)。

典型的非屏蔽中断源的例子是电源掉电、内存校验错误，一旦出现，必须立即无条件地响应，否则进行其他任何工作都是没有意义的。

典型的可屏蔽中断源的例子是外设或一些接口功能，如打印机中断，CPU对打印机中断请求的响应可以快一些，也可以慢一些，因为让打印机等待会儿是完全可以的。

中断处理过程

在微机系统中，对于外部中断，中断请求信号是由外部设备产生，并施加到CPU的NMI或INTR引脚上，CPU通过不断地检测NMI和INTR引脚信号来识别是否有中断请求发生。

对于内部中断，中断请求方式不需要外部施加信号激发，而是通过内部中断控制逻辑去调用。无论是外部中断还是内部中断，中断处理过程都要经历以下步骤：

请求中断→响应中断→关闭中断→保留断点→中断源识别→保护现场→中断服务子程序→恢复现场→中断返回。

请求中断

当某一中断源需要CPU为其进行中断服务时，就输出中断请求信号，使中断控制系统的中断请求触发器置位，向CPU请求中断。每一个中断都通过一个唯一的数字标识。这些数字表示的中断值被称为中断请求(IRQ, Interrupt Request)线，也可称为IRL(Interrupt Request Lines)。系统要求中断请求信号一直保持到CPU对其进行中断响应为止。

中断响应

CPU对系统内部中断源提出的中断请求必须响应，而且自动取得中断服务子程序的入口地址，执行中断服务子程序。对于外部中断，CPU在执行当前指令的最后一个时钟周期去查询INTR引脚，若查询到中断请求信号有效，同时在系统开中断(即IF=1)的情况下，CPU向发出中断请求的外设回送一个低电平有效的中断应答信号，作为对中断请求INTR的应答，系统自动进入中断响应周期。

关闭中断

CPU响应中断后，输出中断响应信号，自动将状态标志寄存器FR或EFR的内容压入堆栈保护起来，然后将FR或EFR中的中断标志位IF与陷阱标志位TF清零，从而自动关闭外部硬件中断。因为CPU刚进入中断时要保护现场，主要涉及堆栈操作，此时不能再响应中断，否则将造成系统混乱。

保护断点

保护断点就是将CS和IP/EIP的当前内容压入堆栈保存，以便中断处理完毕后能返回被中断的原程序继续执行，这一过程也是由CPU自动完成。

中断源识别

当系统中有多个中断源时，一旦有中断请求，CPU必须确定是哪一个中断源提出的中断请求，并由中断控制器给出中断服务子程序的入口地址，装入CS与IP/EIP两个寄存器。CPU转入相应的中断服务子程序开始执行。

保护现场

主程序和中断服务子程序都要使用CPU内部寄存器等资源，为使中断处理程序不破坏主程序中寄存器的内容，应先将断点处各寄存器的内容压入堆栈保护起来，再进入的中断处理。现场保护是由用户使用PUSH指令来实现的。

中断服务

中断服务是执行中断的主体部分，不同的中断请求，有各自不同的中断服务内容，需要根据中断源所要完成的功能，事先编写相应的中断服务子程序存入内存，等待中断请求响应后调用执行。所以产生中断的每个设备都有一个相应的中断处理程序。一个设备的中断处理程序是它设备驱动程序的一部分。

恢复现场

当中断处理完毕后，用户通过POP指令将保存在堆栈中的各个寄存器的内容弹出，即恢复主程序断点处寄存器的原值。

中断返回

在中断服务子程序的最后要安排一条中断返回指令IRET，执行该指令，系统自动将堆栈内保存的IP/EIP和CS值弹出，从而恢复主程序断点处的地址值，同时还自动恢复标志寄存器FR或EFR的内容，使CPU转到被中断的程序中继续执行。

异常与中断

异常与中断不同，它在产生时必须考虑与处理器时钟同步。实际上，异常也称为同步中断。比如，在处理器执行到由于编程失误而导致的错误指令的时候，或者在执行期间出现特殊情况(缺页)，必须靠内核来处理的，处理器就产生一个异常。

异常是由当前正在执行的进程产生。异常包括很多方面，有出错(fault)，有陷入(trap)，也有可编程异常(programmable exception)。

出错(fault)和陷入(trap)最重要的一点区别是他们发生时所保存的EIP值的不同。出错(fault)保存的EIP指向触发异常的那条指令，而陷入(trap)保存的EIP指向触发异常的那条指令的下一条指令。

因此，当从异常返回时，出错(fault)会重新执行那条指令，而陷入(trap)就不会重新执行。这一点实际上也是相当重要的，比如我们熟悉的缺页异常(page fault)，由于是fault，所以当缺页异常处理完成之后，还会去尝试重新执行那条触发异常的指令(那时多半情况是不再缺页)。

陷入的最主要的应用是在调试中，被调试的进程遇到你设置的断点，会停下来等待你的处理，等到你让其重新执行了，它当然不会再去执行已经执行过的断点指令。

可编程中断：这类中断可由编程者用int指令来触发。在Linux中，使用了一个，也是唯一的一个可编程中断，就是int 0x80系统调用。硬件对可编程中断的处理与对trap的处理类似，即从这类异常返回时也是返回到触发异常的下一条指令。

(END)

作者现任架构师，工作11年，Java技术栈，计算机基础，用心写文章，喜欢研究技术，崇尚简单快乐。追求以通俗易懂的语言解说技术，希望所有的读者都能看懂并记住。

      

>>> 热门文章集锦 <<<

毕业10年，我有话说

我是一个协程

我是一个跳表

线程池开门营业招聘开发人员的一天

递归 —— 你值得拥有

迄今为止最好理解的ZooKeeper入门文章

基于角色的访问控制(RBAC)

11年码农的肺腑之言，如何成为一个优秀的程序员，送给渴望优秀的人

非著名架构师告诉你，代码该如何写，才能自己写的容易别人看的也不痛苦

迄今为止最硬核的「Java8时间系统」设计原理与使用方法

任何人都需要知道的「世界时间系统」构成原理，尤其开发人员

彻彻底底给你讲明白啥是SpringMvc异步处理

【面试】我是如何面试别人List相关知识的，深度有点长文

我是如何在毕业不久只用1年就升为开发组长的

爸爸又给Spring MVC生了个弟弟叫Spring WebFlux

【面试】我是如何在面试别人Spring事务时“套路”对方的

【面试】Spring事务面试考点吐血整理(建议珍藏)

【面试】吃透了这些Redis知识点，面试官一定觉得你很NB(干货 | 建议珍藏)

【面试】如果你这样回答“什么是线程安全”，面试官都会对你刮目相看(建议珍藏)

【面试】迄今为止把同步/异步/阻塞/非阻塞/BIO/NIO/AIO讲的这么清楚的好文章(快快珍藏)

【面试】一篇文章帮你彻底搞清楚“I/O多路复用”和“异步I/O”的前世今生(深度好文，建议珍藏)

【面试】如果把线程当作一个人来对待，所有问题都瞬间明白了

Java多线程通关———基础知识挑战

品Spring：帝国的基石