CSAPP 第八章---异常控制流

本文主要是介绍CSAPP 第八章---异常控制流，希望对大家解决编程问题提供一定的参考价值，需要的开发者们随着小编来一起学习吧！

1.什么是异常控制流

举个例子：假设有A1,A2两个值，其内存位置相邻，并且分别存放着指令I1、指令I2的地址，当计算机读取A1到读取A2的这个过渡，称之为“控制转移”，这样的 控制转移序列 叫做处理器的 控制流。

当A1和A2的内存地址相邻的时候，且A1和A2存放的指令在执行顺序上也相邻的时候，那么就称这样的控制流为“平滑控制流”。
如果A1和A2的内存地址不相邻时，这样的控制流称为“异常控制流”。

一句话：异常控制流就是执行指令的顺序相邻但是存放指令的内存不相邻的控制流。

（上下文切换）

异常控制流 ECF 发生在计算机系统的各个层次：

硬件层，硬件中断
操作系统层，内核通过上下文切换将控制从一个进程转移到另一个进程
应用层，一个进程给另一个进程发送信号，信号接收者将控制转移到信号处理程序。

2.异常

异常是异常控制流的一种表现形式。

异常的剖析：

可以理解成系统在执行指令的时候从应用程序到异常处理程序的突发的控制转移（异常）。在异常处理程序完成处理后，它将控制返回给被中断的应用程序或者终止应用程序。

那么，系统是如何知道是返回中断的应用程序继续运行（上下文切换）呢？还是终止应用程序呢？

其实，有个名为“异常表”的跳转表，在程序调用之后，通过相关的“编号”一一对应后，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），当异常处理完成处理后，根据引起异常的事件类型，会发生以下3种情况中的一种：

处理程序将控制返还给当前指令Icurr，即当事件发生时正在执行的指令；
处理程序将控制返还给Inext，如果没有发生异常将会执行下一条指令；
处理程序终止被中断的程序

异常分为四种：

（1）中断

原因：I/O设备（例如网络适配器、磁盘控制器和定时器芯片）的信号处理
类型：异步

大概过程：外部I/O设备向处理器芯片的一个引脚发个信号，并将异常号放到系统总线上（异常号标识了引起中断的设备），以此来触发中断。在当前指令完成执行后，处理器注意到中断引脚的电压变高了，就从系统总线读取异常号，调用对应的中断处理程序。

剩下的异常类型(陷阱、故障和终止)是同步发生的，是由执行当前指令引起来的，这类引起异常的指令叫做故障指令。

（2）陷阱

原因：有意的异常，是执行一条指令的结果
类型：同步

一般用户程序是无法操作内核态的（后面会具体讲解用户态和内核态），但是用户程序经常需要向内核态请求服务，比如读一个文件（read）、创建一个新的进程（fork），加载一个新的程序（execve），或者终止当前进程（exit）。为了允许对这些内核服务的受控的访问，处理器提供了一条特殊的 “syscall n” 指令，当用户程序想要请求服务 n 时，可以执行这条指令。执行 syscall 指令会导致一个到异常处理程序的陷阱，这个处理程序解析参数，并调用适当的内核程序。

（3）故障

原因：执行一条指令遇到的某个错误
类型：同步

错误发生后，处理器会停下当前指令的执行，调用对应的 故障处理程序。如果 故障处理程序 能够修复这个错误，那么控制流就返回到停下的指令 I_curr 处。反之，终止当前程序。

（4）终止

原因：不可恢复的致命错误造成的异常（硬件问题），发生时会直接终止程序
类型：同步

3.进程

逻辑控制流：

并发控制流：

一个逻辑流的执行在时间上与另一个流重叠，称为并发流，这两个流被称为并发运行。如上图进程AC、进程AB。

并发与并行的区别：

并发是指一个处理器同时处理多个任务。并行是指多个处理器或者是多核的处理器同时处理多个不同的任务。

私有地址空间：

地址空间概念：

地址空间就是对内存进行组织和管理的一种方式。地址空间通常是一个连续的内存空间，由一个或多个进程使用。

私有地址空间：

进程也为每个程序提供一种假象，好像它独占的使用系统地址空间。

4.用户态与内核态

简单来说内核态就是操作系统运行线程，用户态就是线程执行用户自己的应用程序。
防止用户指令造成系统错乱

具体可参考：「操作系统」什么是用户态和内核态？为什么要区分-CSDN博客

5.上下文切换

先理解几个概念：

一个进程和其他进程轮流运行的概念称为多任务（multitasking），多任务也叫做时间分片。

一个进程执行它的控制流的一部分的每一时间段叫做时间片（time slice）。

操作系统内核使用一种称为上下文切换的较高形式的异常控制流来实现多任务。

6.回收子进程

当一个进程由于某种原因终止时，内核并不是立即把它从系统中清除。相反，进程被保持在一种已终止的状态中，直到被它的父进程回收（reaped）。当父进程回收已终止的子进程时，内核将子进程的退出状态传递给父进程，然后抛弃已终止的进程，从此时开始，该进程就不存在了。一个终止了但还未被回收的进程称为僵死进程（zombie）。