前言：异常控制流

每个进程对应的程序文件由一条一条的指令组成。进程在执行的时候，会将程序文件加载到进程的内存空间中，这些指令在内存空间中是相邻的。进程会通过调整程序计数器 PC 的值，一条一条地执行指令。我们将进程执行的指令序列叫做处理器的「控制流」。

正常情况下，进程可能会顺序执行相邻的指令（“平滑的”序列），也可能通过跳转、调用和返回等程序指令转移到另一个位置开始执行（平滑流的突变）。无论是前者还是后者，都是程序正常执行的结果，是可以预知的、符合预期的。

但是，系统中也会发生一些异常情况。处理这些异常时，会打断进程正常执行的控制流，转而执行相应的处理程序，执行完毕再返回。我们将这类突变称为「异常控制流」（Exceptional Control Flow，ECF）。

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异常控制流的形式有以下几种：陷阱、中断与异常。此外还有信号，这是一种更高层的异常形式，也会改变进程的控制流。

陷阱（trap）

陷阱是有意造成的“异常”，是执行一条指令的结果。陷阱是同步的。

陷阱的主要作用是实现系统调用。比如，进程可以执行 syscall n 指令向内核请求服务。当进程执行这条指令后，会中断当前的控制流，陷入到内核态，执行相应的系统调用。内核的处理程序在执行结束后，会将结果返回给进程，同时退回到用户态。进程此时继续执行下一条指令。

每个系统调用有一个唯一的整数号，对应于内核中一个跳转表的偏移量。这个跳转表中的每个条目表示一个系统调用的代码位置。执行系统调用时，通过这个整数号作为跳转表的偏移量，就可以执行相应的系统调用。

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陷阱也被称为“软中断”，它不是真正意义上的中断，但是和硬件中断的处理流程类似。陷阱指令的细节见下文系统调用表。

中断（interrupt）

中断由处理器外部的硬件产生，不是执行某条指令的结果，也无法预测发生时机。由于中断独立于当前执行的程序，因此中断是异步事件。

中断包括 I/O 设备发出的 I/O 中断、各种定时器引起的时钟中断、调试程序中设置的断点等引起的调试中断等。

每个中断都有一个中断号。操作系统使用中断描述符表（Interrupt Descriptor Table，IDT）来保存每个中断的中断处理程序的地址。当发生中断时，操作系统会根据中断号，在中断描述表中查找并执行相应的中断处理程序。当处理程序返回后，进程继续执行下一条指令，就好像没有发生过中断一样。

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异常（exception）

异常是一种错误情况，是执行当前指令的结果，可能被错误处理程序修正，也可能直接终止应用程序。异常是同步的。

注意这里的“异常”和上文一开始说的“异常”的区别。上文的“异常”是一个通用的术语，表示因为某些事件/操作而引起的控制流的改变，包括陷阱、中断和异常。这里的“异常”特指因为执行当前指令而产生的错误情况，比如除法异常、缺页异常等。有些书上为了区分，也将这类“异常”称为“故障”。

当发生异常时，操作系统会将控制转移给相应的异常处理程序。如果处理程序能够修正这个错误情况，就将返回到引起异常的指令重新执行。否则，终止该应用程序。

异常处理程序的地址也保存在中断描述符表（IDT）中。

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常见的异常类型及处理：

  • 除法错误（异常 0）：当应用程序试图除以零，或者一个除法指令结果溢出的时候，就会发生除法错误。Linux 会直接终止程序。Linux shell 报告为“浮点异常（Floating exception）”
  • 一般保护故障（异常 13）：当应用程序访问一个未定义的虚拟内存区域（如访问空指针），或者试图写一个只读的文本段时，会发生一般保护故障。Linux 会直接终止程序。Linux shell 报告为“段错误（Segmantation fault）”
  • 缺页异常（异常 14）：当应用程序访问未加载的页面时，会引起缺页异常。缺页处理程序会加载适当的页面，然后重新执行引起异常的指令
  • …

总结：陷阱、异常与中断

  陷阱 中断 异常
来源 处理机内部/陷阱指令 处理机外部/硬件 处理机内部
是否是执行当前指令的结果 是 否 是
同步/异步 同步 异步 同步
是否陷入内核 是 是 是
处理程序位置 IDT->系统调用表 IDT IDT
返回行为 下一条指令 下一条指令 当前指令或终止
是否会导致进程终止 否 否 可能

信号（signal）

信号是一种更高层的软件形式的异常，同样会中断进程的控制流，可以由进程进行处理。一个信号代表了一个消息。信号的作用是用来通知进程发生了某种系统事件。

上文的陷阱、中断和异常都是低层异常机制，由内核的异常处理程序进行处理，正常情况下对用户进程是不可见的。信号提供了一种机制，通知用户进程发生了这些异常。比如，如果一个进程试图除以 0，那么内核会收到一个除零异常，内核会给进程发送一个 SIGFPE 信号（=8）；如果一进程进行非法内存访问，那么内核会收到一个一般保护故障，内核会给进程发送一个 SIGSEGV 信号（=11）…

此外还有其他系统事件，也可以通过信号来通知进程。比如，如果按下 Ctrl+C，那么内核会给进程发送一个 SIGINT 信号（=2）…

下图是 Linux 系统上支持的 30 种不同类型的信号： -w471

发送信号

信号除了由内核发给进程，也可以作为进程间通信的一种方式，明确地由一个进程发送给另一个进程。见进程间的通信方式。

发送信号的机制：

  1. 用 /bin/kill 程序发送信号
  2. 从键盘发送信号，比如按下 Ctrl+C 发送 SIGINT 信号、按下 Ctrl+Z 发送 SIGTSTP 信号
  3. 用 kill 函数发送信号
  4. 用 alarm 函数向自己发送 SIGLALRM 信号

接收信号

每个进程有一个待处理信号的集合。待处理信号表示发送给该进程但是还未被处理（接收）的信号，任何时刻同一类型的待处理信号最多只有一个，后续发送的同类型信号将会被丢弃（隐式阻塞）。

进程也可以选择阻塞某种信号。当一种信号被阻塞时，它仍可以被发送，但是产生的待处理信号不会被目标进程接收，直到进程取消对这种信号的阻塞（显式阻塞）。

处理信号

信号的处理时机：

  • 当内核把进程从内核态切换到用户态时。例如，从系统调用返回，或是完成一次上下文切换
  • 内核通过控制转移来强制进程接收/处理信号。如果进程的未被阻塞的待处理信号集合不为空，则内核会选择集合中的某个信号（通常是最小的），并将控制传递到信号处理程序；否则，内核正常地将控制传递到进程的下一条指令

用户进程对信号的处理过程有三种：

  1. 执行默认操作，linux 对每种信号都规定了默认行为（见上图），是下面的一种
    • 进程终止
    • 进程终止并转储内存（core dump）
    • 进程停止（挂起）直到被 SIGCONT 信号重启
    • 进程忽略该信号
  2. 忽略信号。当不希望接收到的信号对进程的执行产生影响，而让进程继续执行时，可以忽略该信号，即不对信号进程作任何处理
  3. 处理信号。定义信号处理程序，当信号发生时，执行相应的处理程序

信号处理程序是一个用户层函数。进程可以为某个信号指定一个信号处理程序，接收到信号后，进程会跳转执行信号处理程序，执行完成后再返回到中断位置的下一条指令继续执行。 -w407

signal 函数

进程可以通过 signal 函数修改某个信号的默认行为，包括忽略该信号或指定信号处理程序。唯一的例外是无法更改 SIGSTOP 和 SIGKILL 的默认行为。

终端执行 man signal 查看文档。

术语说明

中断向量表 IVT、中断描述符表 IDT

中断向量表（interrupt vector table，IVT）是由一系列中断向量（interrupt vector）组成的列表。每个中断向量都是一个中断处理程序的入口地址。中断向量的类型包括：硬件中断、软件中断和处理器异常，这些事件在中断向量表中统一称作中断。

当中断或异常产生时，由硬件负责产生一个中断标记，CPU 根据中断标记获得相应的中断向量号，然后将其作为偏移，在中断向量表中获得相应的处理程序地址，并执行。

中断向量表是一个通用的概念，在不同的架构下有不同的实现，比如在 x86 处理器下的实现是中断描述符表（Interrupt Descriptor Table，IDT）。本文不区分中断向量表和中断描述符表。

中断向量号 / 异常号

每种类型的异常都有一个唯一的异常号，也称作中断向量号，相当于是中断向量表的下标。中断描述符表中包含 256 个中断向量，对于 256 个异常号。

前 32 个是预留的、由处理器产生的异常，包括被零除、缺页、内存访问违例、断点以及算数运算溢出等，这些号码。其他号码是由操作系统内核定义的，包括系统调用（软中断）和来自外部设备的中断信号（硬中断）。

由硬件产生的异常：

INT_NUM 描述
0 被零除
1 单步调试
2 NMI 中断
3 程序断电
4 溢出
5 边界范围超出
6 无效操作码
7 设备不存在
8 双重错误
9 协处理器段超越
10 无效的任务状态段 TSS
11 段不存在
12 堆栈段错误
13 一般保护错误（比如访问空指针产生的“段错误”）
14 缺页异常
15 保留
16 浮点错误
17 对齐检查
18 机器检查
19 SIMD 浮点异常
20 虚拟化异常
21 控制保护异常

系统调用表

Linux 内核给 0x80 中断注册了名为 ia32_syscall 的中断执行程序。当执行汇编指令 INT 0x80、syscall 或 sysenter 时，都会执行到这个中断处理程序，这是所有系统调用的入口程序。

内核的每个系统调用的入口地址也保存在一个表格中，称为系统调用表（sys_call_table）。每个系统调用有一个唯一的整数号，对应于到内核中的系统调用表的偏移量。

进行系统调用前，进程会将系统调用号保存在 %eax 寄存器中，这样在陷入内核后，处理程序就知道该执行哪个系统调用。然后根据系统调用号，在系统调用表中找到并执行系统调用代码。

这就是通过陷阱指令实现系统调用的原理。陷阱指令不是一个指令，而是一类指令(?)。

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参考资料