重學計算機組成原理(十二) - 異常和中斷

1 概覽

完好的程式都滿足以下特征

• 自動運作

  我們的程式和指令都是一條條順序執行，不需要通過鍵盤或者網絡給這個程式任何輸入

• 正常運作

  沒有遇到計算溢出之類的程式錯誤。

不過，現實的軟體世界可沒有這麼簡單

• 程式不僅是簡單的執行指令，更多的還需要和外部的輸入輸出打交道
• 程式在執行過程中，還會遇到各種異常情況，比如除以0、 溢出，甚至我們自己也可以讓程式抛出異常。

遇到這些情況，計算機是怎麼運轉的呢，也就是說，計算機究竟是如何處理異常的

2 異常:硬體、系統和應用的組合拳

2.1 軟體 還是 硬體 異常?

一提到異常 (Exception)，可能你的第一反應就是Java中的Exception。 不過我們今天講的，并不是這些軟體開發過程中遇到的“軟體異常”

而是和硬體、系統相關 的“硬體異常”。

當然，“軟體異常”和“硬體異常”并不是業界使用的專有名詞，隻是我為了友善給你說明，和Java中軟體抛出的Exception進行的人為區分，你明白這個意思就好。

盡管，這裡我把這些硬體和系統相關的異常，叫作“硬體異常”。但是，實際上，這些異常，既有來自硬體的，也有來自軟體層面的。

比如，我們在

• 硬體層面

  當加法器進行兩個數相加的時候，會遇到算術溢出

或者，你在玩遊戲的時候，按下鍵盤發送了一個信号給到CPU，CPU要去執行一個現有流程之外的指令，這也是 一個“異常”

同樣，來自

• 軟體層面

  比如我們的程式進行系統調用，發起一個讀檔案的請求。這樣應用程式向系統調用發起請求的情況，一樣是通過“異常”來實作的。

2.2 異常的一生

異常, 其實是一個硬體和軟體組合到一起的處理過程。

• 異常的前半生

  異常的發生和捕捉，在硬體層面完成

• 異常的後半生

  異常的處理，其實是由軟體來完成的!

2.3 異常代碼

計算機會為每一種可能會發生的異常，配置設定一個異常代碼(Exception Number)

異常代碼也叫作中斷向量(Interrupt Vector)。

異常發生的時候，通常是CPU檢測到了一個特殊的信号。

比如

• 你按下鍵盤上的按鍵，輸入裝置就會給CPU發一個信号
• 正在執行的指令發生了加法溢出，同樣，我們可以有一個進位溢出的信号

這些信号呢，在組成原理，一般叫發生了一個事件(Event)

CPU在檢測到事件的時候，其實也就拿到了對應的異常代碼。

這些異常代碼裡

• I/O發出的信号的異常代碼，是由作業系統來配置設定的，也就是由軟體來設定的
• 像加法溢出這樣的異常代碼，則是由CPU預先配置設定好的，也就是由硬體來配置設定的. 這又是另一個軟體和硬體共同組合來處理異常的過程

拿到異常代碼之後，CPU就會觸發異常處理的流程

計算機在記憶體裡，會保留一個異常表 (Exception Table)。

也叫中斷向量表(Interrupt Vector Table)，好和上面的中斷向量對應起來。

這個異常表有點兒像我們在之前的GOT表，存放的是不同的異常代碼對應的異常處理程式(Exception Handler)所在的位址

2.4 異常處理程式流程

我們的CPU在拿到了異常碼後

• 首先, 把目前的程式執行的現場，儲存到程式棧
• 然後, 根據異常碼查詢，找到對應的異常處理程式
• 最後, 把後續指令執行的指揮權，交給這個異常處理程式

這樣“檢測異常 => 拿到異常碼 => 再根據異常碼進行查表處理”的模式，在日常開發的過程中是很常 見的。

flowchat
st=>start: 開始
e=>end: 結束
op1=>operation: 檢測異常
op2=>operation: 拿到異常碼
op3=>operation: 再根據異常碼進行查表處理

st->op1->op2->op3
op3->e           

比如說

Web或者App開發

通常都是前後端分離的

• 前端應用，會向後端發起HTTP請求
• 當後端遇到了異常，通常會給到前端一個對應的錯誤代碼
• 前端的應用根據這個錯誤代碼，
  • 在應用層面去進行錯誤處理
  • 在不能處理的時候，它會根據錯誤代碼向使用者顯示錯誤資訊。

    

Java裡面

可以設定ExceptionHandler，來處理線程執行中的異常情況

public class LastChanceHandler implements Thread.UncaughtExceptionHandler {

    @Override
    public void uncaughtException(Thread t, Throwable e) {
        // do something here - log to file and upload to    
        // server/close resources/delete files...
    }
}
 
Thread.setDefaultUncaughtExceptionHandler(new LastChanceHandler());
           

使用一個線程池去運作排程任務的時候

可以指定一個異常處理程式。

對于各個線程在執行任務出現的異常情況，我們是通過異常處理程式進行處理，而不是在實際的任務代碼裡處理。

這樣，我們就把業務處理代碼就和異常處理代碼的流程分開了。

3 異常的分類

異常可以由硬體觸發，也可以由軟體觸發

3.1 中斷(Interrupt)

顧名思義，就是程式在執行到一半的時候，被打斷了。這個打斷執行的信号，來自于CPU外部的I/O裝置。

你在鍵盤上按下一個按鍵，就會對應觸發一個 相應的信号到達CPU裡面。CPU裡面某個開關的值發生了變化，也就觸發了一個中斷類型的異常。

3.2 陷阱(Trap)

程式員“故意“主動觸發的異常。就好像你在程式裡面打了一個斷點，這個斷點就是設下的一個"陷阱"。

當程式的指令執行到這個位置的時候，就掉到了這個陷阱當中。然後，對應的異常處理程式就會來處理這個"陷阱"當中的獵物。

最常見的一類陷阱，應用程式調用系統調用的時候，也就是從使用者态切換到核心态的時候。

可以用Linux下的time指令，去檢視一個程式運作實際花費的時間，裡面有在使用者态花費的時間(user time)，也有在核心态發生的時間 (system time)。

應用程式通過系統調用去讀取檔案、建立程序，其實也是通過觸發一次陷阱來進行的。這是因為使用者态的應用程式沒有權限來做這些事情，需要把對應的流程轉交給有權限的異常處理程式來進行。

3.3 故障(Fault)

陷阱是我們開發程式的時候刻意觸發的異常，而故障通常不是。

比如，我們在程式執行的過程中，進行加法計算發生了溢出，其實就是故障類型的異常。

這個異常不是我們在開發的時候計劃内的，也一樣需要有對應的異常處理程式去處理。

故障和陷阱、中斷的重要差別

故障在異常程式處理完成之後，仍然回來處理目前的指 令，而不是去執行程式中的下一條指令。

因為目前的指令因為故障的原因并沒有成功執行完成。

3.4 中止(Abort)

與其說這是一種異常類型，不如說這是故障的一種特殊情況。 當CPU遇到了故障，但是恢複不過來的時候，程式就不得不中止了。

3.5小結

中斷異常的信号來自系統外部，而不是在程式自己執行的過程中，是以我們稱之為“異步”類型的異常。

而陷阱、故障以及中止類型的異常，是在程式執行的過程中發生的，所 以我們稱之為“同步“類型的異常。

在處理異常的過程當中，無論是異步的中斷，還是同步的陷阱和故障，我們都是采用同一套處理流程，也就是上面所說的，“儲存現場、異常代碼查詢、異常處理程式調用“。

而中止類型的異常，其實是在故障類型異常的一種特殊情況。當故障發生，但是我們發現沒有異常處理程式能夠處理這種異常的情況下，程式就不得不進入中止狀态，也就是最終會退出目前的程式執行。

4 異常的處理:上下文切換

在實際的異常處理程式執行之前，CPU需要去做一次“儲存現場”的操作。這個儲存現場的操作， 和函數調用的過程非常相似。

切換到異常處理程式，就好像是去調用一個異常處理函數。指令的控制權被切換到了另外一個"函數"，是以我們自然要把目前正在執行的指令去壓棧。

這樣才能在異常處理程式執行完後，重新回到目前的指令繼續往下執行。

不過，切換到異常處理程式，比起函數調用，還是要更複雜一些。原因有下面幾點

• 異常情況往往發生在程式正常執行的預期之外，比如中斷、故障發生的時候。是以，除了本來程式壓棧要做的事情之外，還需要把CPU内目前運作程式用到的所有寄存器， 都放到棧裡面。最典型的就是條件碼寄存器裡面的内容
• 像陷阱這樣的異常，涉及程式指令在使用者态和核心态之間的切換。對應壓棧的時候，對應的資料是壓到核心棧裡，而不是程式棧裡。
• 像故障這樣的異常，在異常處理程式執行完成之後。從棧裡傳回出來，繼續執行的不是順序的下一條指令，而是故障發生的目前指令。因為目前指令因為故障沒有正常執行成功，必須重新去執行一次。

是以，對于異常這樣的處理流程，不像是順序執行的指令間的函數調用關系。而是更像兩個不同的獨立程序之間在CPU層面的切換，是以這個過程我們稱之為上下文切換(Context Switch)。

5 總結

計算機裡的“異常”處理流程。這裡的異常可以分成中斷、陷阱、故障、中止 這樣四種情況。這四種異常，分别對應着I/O裝置的輸入、程式主動觸發的狀态切換、異常情況下的程式出錯以及出錯之後無可挽回的退出程式。

當CPU遭遇了異常的時候，計算機就需要有相應的應對措施。CPU會通過“查表法”來解決這個問 題。在硬體層面和作業系統層面，各自定義了所有CPU可能會遇到的異常代碼，并且通過這個異 常代碼，在異常表裡面查詢相應的異常處理程式。在捕捉異常的時候，我們的硬體CPU在進行相 應的操作，而在處理異常層面，則是由作為軟體的異常處理程式進行相應的操作。

而在實際處理異常之前，計算機需要先去做一個“保留現場”的操作。有了這個操作，我們才能在異常處理完成之後，重新回到之前執行的指令序列裡面來。這個保留現場的操作，和我們之前講 解指令的函數調用很像。但是，因為“異常”和函數調用有一個很大的不同，那就是它的發生時間。函數調用的壓棧操作我們在寫程式的時候完全能夠知道，而“異常”發生的時間卻很不确定。 是以，“異常”發生的時候，我們稱之為發生了一次“上下文切換”(Context Switch)。這個時 候，除了普通需要壓棧的資料外，計算機還需要把所有寄存器資訊都存儲到棧裡面去。

推薦閱讀

關于異常和中斷，《深入了解計算機系統》的第8章“異常控制流”部分，有非常深入和充分的講解，推薦你認真閱讀一下。

思考

很多教科書和網上的文章，會把中斷分成軟中斷和硬中斷。你能用自己的話說一說，什麼是軟中 斷，什麼是硬中斷嗎?它們和我們今天說的中斷、陷阱、故障以及中止又有什麼關系呢?

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參考

https://www.cnblogs.com/luoahong/p/11425628.html#top 深入了解計算機系統(第三版)