第8章異常控制流

8.1 異常

所謂異常就是控制流過程中的突變，用來響應處理器狀態中的某些變化；
處理器的狀態的變化稱爲事件（event），事件可能和當前指令的執行相關（虛擬存儲器缺頁，算術溢出，除數爲零），也可能沒有關係（定時器信號，I/O請求完成）；
當有異常發生時，處理器會通過異常表（exception table），進入異常處理程序（exception handler）。
通常異常處理程序處理完成之後會有三種情況：
- 處理程序將控制權返回給當前指令
- 處理程序將控制權返回給下一條指令
- 處理程序終止被中斷的程序

8.1.1 異常處理

系統中可能的每種異常都分配了一個唯一的非負整數的異常號（exception number），一部分由處理器設計這分配（被零除、缺頁、存儲器訪問違例、斷點、算術溢出），一部分由操作系統內核設計者分配（系統調用和I/O設備的信號）；
在啓動系統是，操作系統維護了一個異常表，此異常表爲一個跳轉表；異常表的起始地址存儲在異常表基址寄存器（exception table base register）；

異常處理程序調用和一般的過程調用的不同之處
- 一般過程調用時會將返回地址壓入棧中，而異常返回時要麼返回當前指令，要麼是下一條指令
- 處理會把一些處理器的狀態壓入棧中，返回時重新恢復在這些狀態；
- 當控制從用戶程序轉移到內核時，所有這些項目都會被壓入到內核的棧中，而不是用戶的棧；
- 異常處理程序運行在內核的模式下，這意味着對所有的系統資源有完全的訪問權限；

8.1.2 異常的類別

異常可以爲四種：中斷（interrupt）、陷阱（trap）、故障（fault）、終止（abort）

中斷（中斷是異常的一種，異常不等於中斷）
- 中斷是異步發生的，是來自處理器外部I/O設備信號的結果，而不是由任何一條指令造成的（異步）；
- 中斷的過程：
  - I/O設備通過向處理的引腳發送一個發送信號，並將異常號放到系統總線上，以觸發中斷，異常號標識了觸發中斷的設備；
  - 處理器注意到引腳的電壓發生變化，便從系統總線上讀取異常號，然後調用相應的中斷處理程序；
  - 當處理程序結束時，返回到下一條指令；

剩下的異常類型（陷阱、故障和終止）是同步發生的，是執行當前指令的結果。此類指令叫做故障指令（faulting instruction）。

陷阱和系統調用
- 陷阱是有意的異常；其用途是在用戶程序和內核之間提供一個像過程一樣的接口，叫系統調用；
- 當用戶程序向內核請求服務時（read、fork、execve、 exit），爲了允許對這些內核服務的受控訪問，處理器提供了“syscall n”指令；當用戶想調用服務n時，調用此指令，會導致到一個異常處理程序的陷阱，此異常處理程序對參數解碼（應該是n），並調用相應的內核處理程序；
- 一般的過程調用運行在過程模式（限制了指令的類型、並且在相同的函數棧中），而系統調用運行在內核模式（允許系統調用執行指令（syscall），並且在內核棧中）；

故障
- 由錯誤引起，可能被修正
- 當故障發生時，它就將控制轉移到故障處理程序；如果程序能夠修正這個錯誤的情況，就返回到引起故障的指令，否則返回到內核的abort例程；

終止
- 終止是不可恢復的致命的錯誤造成的，通常爲硬件錯誤；終止程序不應將控制返回給應用程序；

8.2 進程

異常是允許操作系統提供進程（process）的概念所需要的基本構造塊；
進程經典的定義是一個執行中的程序實例；系統中每個程序都是運行在某個進程上下文中的；上下文包括：存儲器中的代碼和數據、通用寄存器中的內容、程序計數器、棧、環境變量以及打開文件描述符的集合。
進程提供兩個關鍵的抽象：
- 一個獨立的邏輯控制流：它提供一個假象，好像程序獨佔的使用處理器；
- 一個私有的地址空間：它提供一個假象，好像程序獨佔的使用存儲器系統；

8.2.1 邏輯控制流

邏輯控制流就是PC值對應的指令序列；
一個處理器的物理流可以分成多個邏輯流；

8.2.2 併發流

計算機中流有不同的形式：異常處理程序、進程、線程、信號處理程序；
併發流：一個邏輯流在執行時間上與另一個流重疊；
併發：多個流併發的執行的現象；
多任務：一個進程和其他進程輪流執行的概念稱爲多任務；
時間片：一個進程執行它的控制流的一部分的每一時間段；多任務也叫時間分片
並行流：併發的真子集，如果兩個流併發的運行在不同的處理器核或者計算機上，稱爲並行流；

8.2.3 私有地址空間

一個進程爲每個程序提供提供他自己的私有地址空間
和此空間中某個地址相關聯的存儲器字節時不能被其他進程讀寫的；
每個私有地址空間的內容不同，但有相同的通用結構；
32位進程代碼段從0x08048000開始，64位進程從0x00400000開始；
地址空間頂部保留給內核，包含內核的代碼、數據和棧；（例如執行一個系統調用）；

8.2.4 用戶模式和內核模式

處理器通常使用某個控制寄存器中的一個模式位（mode bit）來切換用戶模式或者內核模式
內核模式可以執行所有的指令和訪問任何存儲器位置
用戶模式則沒有上述功能；任何嘗試都會導致一般保護故障；必須通過系統調用接口訪問內核代碼和數據；

8.2.5 上下文切換

操作系統使用上下文切換這種較高形式的異常控制流來實現多任務；上下文切換機制是建立在前面所述的較低層異常機制之上的；
內核爲每個進程維護一個上下文（內核重新啓動一個被搶佔的進程所需要的狀態），上下文由：通用目的寄存器、浮點寄存器、程序計數器、用戶棧、處理器狀態寄存器、內核棧和內核數據結構（描繪地址空間的頁表、有關當前進程信息的進程表、包含進程已打開文件的信息的文件表）
內核重新啓動一個之前被搶佔的進程叫調度，內核中稱爲調度器；
上下文切換：
- 保存當前進程的上下文；
- 恢復某個先前被搶佔的進程的上下文；
- 將控制權交給新恢復的進程

發生上下文切換的情況：

當內核代表用戶執行系統調用時，可能發生上下文切換；比如系統調用因爲某個事件而阻塞，內核可以讓該進程休眠，切換到另一個進程（比如read訪問磁盤、sleep）；在此種情況下，在內核中的工作一部分代表進程A，一部分代表進程B。
一般而言，即使系統調用沒有發生阻塞，內核也可以決定執行上下文切換；
中斷也可以發生上下文切換；比如所有系統都有產生某種週期性定時器中斷的機制（1ms或者10ms），每當定時器中斷時，切換新的進程；

8.3 系統調用錯誤處理

當Unix系統級函數遇到錯誤時，典型的會返回-1，並設置全局變量errno；

if((pid = fork()) < 0){
    fprintf(stderr,"fork error: %s\n",strerror(errno));   //strerror()函數返回錯誤關聯的字符串；
    exit(0);
}

但這樣使得代碼繁瑣，簡單一層包裝：

if((pid = fork()) < 0)
    unix_error("fork error");

void unix_error(char * msg){
    fprintf(stderr,"%s,%s\n",msg,strerror(errno));
    exit(0);
}

使用錯誤包裝處理函數：

pid_t Fork(void){
    pid_t pid;
    if((pid = fork()) < 0){
        unix_error("fork error");
    }
    return pid;
}

8.4 進程控制

8.4.1 獲取進程狀態

pid_t getpid(void); //獲取當前進程
pid_t getppid(void); //獲取父進程

8.4.2 創建和終止進程

進程的三種主要狀態：

運行要麼再CPU上運行，要麼等待且最終被CPU執行；
停止進程的執行被掛起，且不會被調度；
終止進程永久停止
- 收到一個信號，改信號默認終止進程
- 從主程序返回返回值爲程序的最終返回狀態
- 調用exit()函數參數值爲最終的返回狀態

創建進程：

pid_t fork(void);

子與父進程的同與不同：

子進程得到父進程虛擬地址空間的一份拷貝，但是是獨立的，包括代碼段、數據段、推以及用戶棧，此外還有文件描述符表（意味着子進程可以操作父進程打開的文件）；
子進程與父進程最大的區別在於有不同的pid；

fork()函數的特點：

調用一次返回兩次，一次在父進程中，返回子進程pid；一次在子進程中，返回0；

8.4.3 回收子進程

當進程終止時，還是保存在內核中的，等待被其父進程回收；
當父進程回收子進程時，內核將子進程的退出狀態傳遞給父進程，然後拋棄子進程；（要求父進程回收爲了獲取子進程退出狀態，內核會拋棄子進程，維護系統資源）；終止卻未被回收的子進程是殭屍進程；
如果父進程沒有回收其子進程就終止，那麼由init進程回收；

waitpid（）函數：

pid_t waitpid(pid_t pid,int *status,int options);

參數pid:
- pid > 0 : 等待集合就一個單獨的子進程，就是此pid；
- pid = -1：所有子進程；
- Unix進程組
參數options
- WNOHANG 立即返回，不等待；
- WUNTRACED 掛起調用進程，直到等待集合中一個進程被終止或者停止，返回相關pid；
檢查子進程退出狀態
- status參數非空，則此參數保存函數退出狀態；
- WIFEXITED（status）子進程通過exit或者return返回正常終止時，返回真。
  - WEXITSTATUS（status）返回一個正常終止的子進程的狀態，依賴於上一個函數返回真；
- WIFSIGNALED（status）如果子進程因爲一個未捕獲的信號終止，返回真；
  - WTERMSIG （status），返回導致子進程終止的信號的數量，之上上一個函數返回真時；
- WIFSTOPPED（status）如果返回的子進程當前是被停止的，返回真
  - WSTOPSIG（status）返回引起子進程停止的信號的數量；依賴上一個函數返回真；
調用錯誤
- 當調用進程沒有子進程時，返回-1，並且設置errno爲ECHILD；
- 函數被一個信號中斷，返回-1，並設置errno爲EINTR；
wait函數

pid_t wait(int* status); //等價調用waitpid(-1,&status,0);

8.4.4 讓進程休眠

unsigned int sleep(unsigned int secs);

如果請求時間到，則返回0；否則（函數被信號中斷而過早的返回），返回剩下要休眠的秒數；

int pause(void);

讓調用進程休眠，直到該進程收到信號；

8.4.5 加載並運行程序

int execve(const char* filename,const char argv[],const char *envp[]); //調用一次，成功不返回

參數 argv指向一個指針數組，每個指針指向一個參數串；
參數envp指向一個指針數組，每個指針指向一個環境變量串；

在加載了filename之後，execve調用啓動代碼，啓動代碼設置棧，並將控制傳遞給新程序的主函數；

8.5 信號

每種信號類型都對應某種系統事件；底層的硬件異常，是由內核異常處理程序處理的；信號提供了一種機制，通知用戶進程發生了這些異常；

8.5.1 信號術語

發送信號
- 內核監測到一個系統事件；
- 一個進程調用kill函數，顯式要求內核發送一個信號給目的進程；一個進程可以給自己發送信號。
接收信號
- 當目的進程被內核強制以某種方式對內核做出反應時，目的進程就接收了信號；
- 進程可以忽略這個信號，終止或者通過執行用戶層函數信號處理程序；
一個只要發出而沒有被接收的信號，叫待處理信號；
在任何時刻，一種類型，至多隻有一個待處理信號，多餘的同類型信號會被直接拋棄；
一個進程可以有選擇的阻塞接收某種信號，此信號仍可被髮送，但待處理信號不會被接收，直到進程取消對這種信號的阻塞；
帶處理信號最多隻能被處理一次，內核爲每個進程維護着待處理信號的集合和被阻塞信號的集合；當接收到一個信號時，在集合中標記，當接收時，消除；

8.5.2 發送信號

Unix提供了多種向進程發送進程的機制。這些機制是基於進程組的；

進程組
- 每個進程只屬於一個進程組，進程組ID號由正整數表示；
```
pid_t getpgrp(void);//獲得當前進程的進程組id   
```
```
int setpgid(pid_t pid,pid_t pgid);
```
- 當pid爲0時，改變調用進程，非零時，對應進程
- 當pgid爲0時，調用進程pid作爲進程組號，非零時對應號；
用/bin/kill程序發送信號

/bin/kill -9 15213 當-15213時，結束進程組號爲15213的每一個進程
從鍵盤發送信號
- 作業： shell對一個命令行求職而創建的進程；
- 任何時刻，只有一個前臺作業，0個或者多個後臺作業
- 外殼爲每個作業創建獨立的進程組
- ctrl+c 導致SIGINT被髮送到外殼，外殼捕獲信號，然後發送到前臺進程中的每個進程
用kill函數發送信號
```
int kill(pid_t pid,int sig);
```
- pid > 0,發送給指定進程， pid < 0,給進程組每個進程
用alarm函數發送信號

unsigned int alarm(unsigned int secs);

alarm函數和sleep函數由相似之處，被打斷時都會返回剩餘秒數
對alarm的調用都會取消正在等待的alarm，並返回秒數；沒有真在等待的就返回0；

8.5.3 接收信號

當內核從異常程序返回時，會檢查進程的未被阻塞的待處理信號的集合（pending&~block）；原因：被阻塞說明條件還不滿足，遂不予處理；
- 當集合爲空時，說明沒有待處理的消息，直接將邏輯控制流傳遞給下一條指令；
- 當集合不爲空時，內核會選擇集合中的某個信號（通常爲值最小的那個），並強制進程接收信號，觸發對應此信號的處理程序；處理完成後，控制流給下一指令；
- 信號的默認行爲：
  - 進程終止（SIGKILL）
  - 進程終止並轉儲存儲器（）
  - 進程停止，直到被SIGCONT信號重啓
  - 進程忽略該信號（SIGCHLD）
進程可以使用signal函數修改信號的默認處理行爲；
注意: SIGSTOP和SIGKILL是不可忽略的的；

此函數有三種修改關聯方法：
- handler爲SIG_IGN，忽略該信號；
- handler爲SIG_DEF，默認行爲
- handler爲用戶定義的函數地址，則調用此信號處理程序;
當處理程序處理完時，控制通常會返回給下一個指令；但在某些系統中，被中斷的系統掉用，會立即返回一個錯誤；（下面將講述）；
信號處理程序的邏輯控制流與主函數的邏輯控制流重疊；

8.5.4 信號處理問題

待處理信號被阻塞： 噹噹前的正在處理的信號處理程序是剛到達的信號類型時，待處理信號會被阻塞；
待處理信號不會排隊等待：當有兩個同類型的信號到達，且此類型的處理程序正在運行，信號被阻塞，且第二個信號直接被丟棄；所以不能用消息進行事件計數
系統調用可以被中斷：像read、wait、accept這樣會阻塞進程一段時間的（慢速系統調用），當處理程序捕獲到一個信號時，被中斷的系統調用返回時不再繼續，直接返回錯誤；

8.5.5 可移植信號處理

不同系統對於信號的處理語義是有差異的（中斷的慢速系統調用是重啓還是放棄）；
sigaction函數指明瞭信號處理語義：
sigaction包裝函數：Signal

此函數信號處理語義如下：
當前處理信號被屏蔽
信號不會排隊（不會有超過1個的相同信號在排隊）
只要有可能，被中斷的系統調用會重啓；
一旦被設置了處理函數，就一直會存在，除非將handler參數設置爲SIG_DEF或者SIG_IGN；

8.5.6 顯示地阻塞和取消阻塞信號

sigprocmask函數改變當前已阻塞信號的集合，具體行爲依賴於how值：
- SIG_BLOCK：添加set中的信號到block集合中；
- SIG_UNBLOCk：從block集合中刪除se集合中的信號；
- SIG_SETMASK：將block集合設置爲set集合；

8.5.7同步流以避免討厭的併發錯誤

當多個控制流對同一資源進行訪問時，容易發生競爭；
處理：
- 對於信號造成的，可以先屏蔽信號
- 對於調度策略造成的可以隨機休眠;

8.6 非本地跳轉

C語言提供用戶級異常控制流形式，非本地跳轉；從一個函數轉移到另一個函數，無需經過調用-返回序列；
longjump函數從env中恢復調用環境，然後觸發最近一次調用的setjump返回，返回longjump第二個參數；longjump從不返回；

注意： setjump調用一次，返回多次

第一次調用時，保存env環境，返回0；
第二次調用longjump時，setjump返回longjump第二個參數；
另一個應用，從中斷程序中不返回到打斷位置，而是利用保存的環境，重新啓動；

第8章異常控制流

8.1 異常

8.1.1 異常處理

8.1.2 異常的類別

8.2 進程

8.2.1 邏輯控制流

8.2.2 併發流

8.2.3 私有地址空間

8.2.4 用戶模式和內核模式

8.2.5 上下文切換

8.3 系統調用錯誤處理

8.4 進程控制

8.4.1 獲取進程狀態

8.4.2 創建和終止進程

8.4.3 回收子進程

8.4.4 讓進程休眠

8.4.5 加載並運行程序

8.5 信號

8.5.1 信號術語

8.5.2 發送信號

8.5.3 接收信號

8.5.4 信號處理問題

8.5.5 可移植信號處理

8.5.6 顯示地阻塞和取消阻塞信號

8.5.7同步流以避免討厭的併發錯誤

8.6 非本地跳轉

druid數據源 xml配置

第六章對象和數據結構

第九章單元測試

第八章邊界

第十章類

第二章命名的意義

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linux以太網驅動總結

第8章 異常控制流

8.1 異常

8.1.1 異常處理

8.1.2 異常的類別

8.2 進程

8.2.1 邏輯控制流

8.2.2 併發流

8.2.3 私有地址空間

8.2.4 用戶模式和內核模式

8.2.5 上下文切換

8.3 系統調用錯誤處理

8.4 進程控制

8.4.1 獲取進程狀態

8.4.2 創建和終止進程

8.4.3 回收子進程

8.4.4 讓進程休眠

8.4.5 加載並運行程序

8.5 信號

8.5.1 信號術語

8.5.2 發送信號

8.5.3 接收信號

8.5.4 信號處理問題

8.5.5 可移植信號處理

8.5.6 顯示地阻塞和取消阻塞信號

8.5.7同步流以避免討厭的併發錯誤

8.6 非本地跳轉

第8章異常控制流