1 概览

完好的程序都满足以下特征

• 自动运行
  我们的程序和指令都是一条条顺序执行，不需要通过键盘或者 络给这个程序任何输入

• 正常运行
  没有遇到计算溢出之类的程序错误。

不过，现实的软件世界可没有这么简单

• 程序不仅是简单的执行指令，更多的还需要和外部的输入输出打交道
• 程序在执行过程中，还会遇到各种异常情况，比如除以0、 溢出，甚至我们自己也可以让程序抛出异常。

遇到这些情况，计算机是怎么运转的呢，也就是说，计算机究竟是如何处理异常的

2 异常:硬件、系统和应用的组合拳

2.1 软件 还是 硬件 异常h2>

一提到异常 (Exception)，可能你的第一反应就是Java中的Exception。 不过我们今天讲的，并不是这些软件开发过程中遇到的“软件异常”
而是和硬件、系统相关 的“硬件异常”。

当然，“软件异常”和“硬件异常”并不是业界使用的专有名词，只是我为了方便给你说明，和Java中软件抛出的Exception进行的人为区分，你明白这个意思就好。

尽管，这里我把这些硬件和系统相关的异常，叫作“硬件异常”。但是，实际上，这些异常，既有来自硬件的，也有来自软件层面的。

比如，我们在

• 硬件层面
  当加法器进行两个数相加的时候，会遇到算术溢出
  或者，你在玩游戏的时候，按下键盘发送了一个信 给到CPU，CPU要去执行一个现有流程之外的指令，这也是 一个“异常”

同样，来自

• 软件层面
  比如我们的程序进行系统调用，发起一个读文件的请求。这样应用程序向系统调用发起请求的情况，一样是通过“异常”来实现的。

2.2 异常的一生

Web或者App开发

通常都是前后端分离的

• 前端应用，会向后端发起HTTP请求
• 当后端遇到了异常，通常会给到前端一个对应的错误代码
• 前端的应用根据这个错误代码，
  • 在应用层面去进行错误处理

  中断异常的信 来自系统外部，而不是在程序自己执行的过程中，所以我们称之为“异步”类型的异常。

  而陷阱、故障以及中止类型的异常，是在程序执行的过程中发生的，所 以我们称之为“同步“类型的异常。

  在处理异常的过程当中，无论是异步的中断，还是同步的陷阱和故障，我们都是采用同一套处理流程，也就是上面所说的，“保存现场、异常代码查询、异常处理程序调用“。
  而中止类型的异常，其实是在故障类型异常的一种特殊情况。当故障发生，但是我们发现没有异常处理程序能够处理这种异常的情况下，程序就不得不进入中止状态，也就是最终会退出当前的程序执行。

  4 异常的处理:上下文切换

  在实际的异常处理程序执行之前，CPU需要去做一次“保存现场”的操作。这个保存现场的操作， 和函数调用的过程非常相似。

  切换到异常处理程序，就好像是去调用一个异常处理函数。指令的控制权被切换到了另外一个”函数”，所以我们自然要把当前正在执行的指令去压栈。
  这样才能在异常处理程序执行完后，重新回到当前的指令继续往下执行。

  不过，切换到异常处理程序，比起函数调用，还是要更复杂一些。原因有下面几点

  • 异常情况往往发生在程序正常执行的预期之外，比如中断、故障发生的时候。所以，除了本来程序压栈要做的事情之外，还需要把CPU内当前运行程序用到的所有寄存器， 都放到栈里面。最典型的就是条件码寄存器里面的内容
  • 像陷阱这样的异常，涉及程序指令在用户态和内核态之间的切换。对应压栈的时候，对应的数据是压到内核栈里，而不是程序栈里。
  • 像故障这样的异常，在异常处理程序执行完成之后。从栈里返回出来，继续执行的不是顺序的下一条指令，而是故障发生的当前指令。因为当前指令因为故障没有正常执行成功，必须重新去执行一次。

  所以，对于异常这样的处理流程，不像是顺序执行的指令间的函数调用关系。而是更像两个不同的独立进程之间在CPU层面的切换，所以这个过程我们称之为上下文切换(Context Switch)。

  5 总结

  计算机里的“异常”处理流程。这里的异常可以分成中断、陷阱、故障、中止 这样四种情况。这四种异常，分别对应着I/O设备的输入、程序主动触发的状态切换、异常情况下的程序出错以及出错之后无可挽回的退出程序。
  当CPU遭遇了异常的时候，计算机就需要有相应的应对措施。CPU会通过“查表法”来解决这个问 题。在硬件层面和操作系统层面，各自定义了所有CPU可能会遇到的异常代码，并且通过这个异 常代码，在异常表里面查询相应的异常处理程序。在捕捉异常的时候，我们的硬件CPU在进行相 应的操作，而在处理异常层面，则是由作为软件的异常处理程序进行相应的操作。
  而在实际处理异常之前，计算机需要先去做一个“保留现场”的操作。有了这个操作，我们才能在异常处理完成之后，重新回到之前执行的指令序列里面来。这个保留现场的操作，和我们之前讲 解指令的函数调用很像。但是，因为“异常”和函数调用有一个很大的不同，那就是它的发生时间。函数调用的压栈操作我们在写程序的时候完全能够知道，而“异常”发生的时间却很不确定。 所以，“异常”发生的时候，我们称之为发生了一次“上下文切换”(Context Switch)。这个时 候，除了普通需要压栈的数据外，计算机还需要把所有寄存器信息都存储到栈里面去。

  推荐阅读

  关于异常和中断，《深入理解计算机系统》的第8章“异常控制流”部分，有非常深入和充分的讲解，推荐你认真阅读一下。

  再续中断分类

  软中断和硬中断

  硬中断

  • 外中断
    又称为中断或异步中断，是指来自处理器以外的中断信 ，包括时钟中断、键盘中断、外部设备中断等。外中断又分为可屏蔽中断和不可屏蔽中断，各个中断具有不同的优先级，表示事件的紧急程度，在处理高一级中断时，往往会部分或全部屏蔽低等级中断。
  • 内中断
    又称为异常或同步中断（产生时必须考虑与处理器时钟同步），是指 来自处理器内部的中断信 ，通常是由于程序执行过程中，发现与当前指令关联的、不正常的或错误的事件。内中断可以细分为：
    • 访管中断，由执行系统调用而引起的
    • 硬件故障中断，如电源失效、总线超时等
    • 程序性中断，如非法操作、地址越界、除数为0和浮点溢出等。

  软中断

  是一条CPU指令，用以自陷一个中断。由于 软中断指令通常要运行一个切换CPU至内核态（Kernel Mode/Ring 0）的子例程，它常被用作实现系统调用（System call）。

  处理器通常含有一个内部中断屏蔽位，并允许通过软件来设定。一旦被设定，所有外部中断都将被系统忽略。这个屏蔽位的访问速度显然快于中断控制器上的中断屏蔽寄存器，因此可提供更快速地中断屏蔽控制。

  中断风暴（interrupt storm）

  中断尽管可以提高计算机处理性能，但 过于密集的中断请求／响应反而会影响系统性能。这类情形被称作

  参考

  https://www.cnblogs.com/luoahong/p/11425628.html#top
  深入理解计算机系统(第三版)

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