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异常

异常控制流

处理器读取并执行内存中的连续指令，称为控制流(Control Flow)。默认情况下，控制流一条接着一条指令执行。跳转和函数调用是程序改变控制流的方式，而系统改变控制流的方式则叫作异常控制流(Exceptional Control Flow)，在磁盘/网络数据到达，除0，系统计时器过期，键盘按下Ctrl+C等情况引发。异常控制流的应用包括异常(Exception)，进程上下文切换(Process Contex Switch)，信号(Signals)(纯软件实现)和非本地跳转(Nonlocal Jumps)(纯软件实现)。

异常

异常发生时，控制流从用户程序转移到内核，响应系统事件。注意内核不是单独存在的一个进程，而是进程的一部分，常驻在内存空间的顶部，用于管理系统资源。异常由硬件和操作系统协作实现，一般异常由硬件引发，但由操作系统提供软件来处理。内存的某处存储了一个异常跳转表，记录异常编号到处理函数的映射。

  • 中断(Interrupt)：来自处理器外部的异常称作异步异常(Asynchronous Exception)，也称作中断。引发中断的事件一般由处理器引脚电平的变化导致，比如数据到达或键盘按下Ctrl+C。系统无法预测中断何时到来，所以是异步的。

  • 陷入(Traps)：程序执行系统调用(syscall) 的方式。内核的代码与资源是用户级程序无法访问的。为了请求系统资源，用户级程序主动发起一个异常，使控制流切换到内核状态，调用系统资源。系统库提供的函数，如open，read等，实际上是系统调用的封装。

  • 故障(Faults)：用户级程序执行某条指令时发生错误，比如除0，缺页，段错误(Segmentation Fault)等引发异常，有些是可恢复的，比如缺页，恢复异常时，这条指令重新执行。
    ；有些则不可，如段错误，会导致程序中止(Abort)。

下图是通过陷入进行open系统调用的例子。把系统调用的编号写入%rax，syscall指令引发陷入，返回时文件描述符放在%rax中。

open系统调用

下图是缺页引发可恢复故障的例子。程序访问地址0x8049d10，但是该地址并不可用，因为该地址没有从磁盘交换到内存(关于交换，参考虚拟内存)。引发缺页故障后，异常处理程序尝试交换。成功后，回到该指令重新执行，这次就不会引发故障了。

缺页

下图是访问无效内存地址引发不可恢复故障的例子。程序访问地址0x804e360，由于该地址不可用，同样引发了缺页故障。但是异常处理程序的交换尝试失败，于是向程序发送SIGSEGV中止。

无效地址访问

进程上下文切换

进程是程序可执行文件的实例化，因为可执行文件只存储一份在磁盘中，而可执行文件可以被加载到内存的不同位置产生多个进程。操作系统为进程提供了两个抽象：逻辑控制流(Logical Control Flow，即貌似独占的CPU资源) 和 私有的地址空间(虚拟内存)。

每个进程拥有一套相互独立且私有的内存空间，寄存器值的上下文环境。上下文切换指的是处理器在这些环境间切换。由于上下文切换，多个进程可以在处理器上并发(Concurrent) 运行。我们将并发定义为逻辑控制流的重叠，与核心数无关。即使在单核处理器上，进程也可以并发运行。下面第二张图，进程A与进程B是并发的，进程A与进程C是并发的，但进程B与进程C不是并发的。

上下文环境

并发的逻辑控制流

上下文切换通过硬件和操作系统软件协作完成。硬件定时器过期时向处理器发送中断，为了接收定时器中断，操作系统将进程切换到内核态。此时，操作系统可以决定是否切换上下文。而进程之间的执行顺序是不可预测的，将多个进程的各条语句进行拓扑排序，每种排序结果都是一种执行顺序的可能性。

上下文切换

进程编程实践

Linux系统用于进程操作的函数如下：

pid_t fork(void);
void exit(int status);
pid_t wait(int *status);
pid_t waitpid(pid_t pid, int *status, int options);e
int execve(const char *filename, char *const argv[], char *const envp[]);

子进程执行完后变成僵尸进程(Zombie)，需要父进程回收资源。如果父进程比子进程更早退出，子进程成为init进程的子进程，被自动回收。如果父进程一直不退出，僵尸子进程在内存中越积越多，将导致内存泄漏。

信号

信号是一种系统发送给进程的消息，告知进程系统中发生了某种事件。信号的编号(一个整数)决定它的种类，由内核发送给用户程序，在用户态执行信号处理代码。信号处理有捕获，忽略和中止三种方式。如果用户程序没有捕获并定义信号处理函数，则使用预定义的默认处理方式。信号从发送到接收分成了以下几个阶段：

  1. 内核传递信号

  2. 检查进程是否阻塞信号

  3. 进程状态标记某些位，表示信号待处理

  4. 上下文切换到进程接收信号，调用信号处理函数

  5. 清除进程状态中标记的位

由于待处理信号只通过进程状态中的一个位表示，所以信号是不会排队的，即新的同种信号在原有信号被处理之前来到，该种信号也只被处理一次。

被阻塞的信号将暂时无法在进程状态中标记，标记进程状态的操作被延迟到阻塞取消后进行。某种信号的处理函数执行期间，该种信号被阻塞，但其他信号不受影响，称作隐式的信号阻塞。所以，在执行某种信号处理函数时，可能跳转到另一种信号的处理函数，但不可能再一次进入同种的信号处理函数。

嵌套的逻辑控制流

可以通过如下几种方式发送信号：

  • kill -<signum> <pid>，当pid为负数，表示gpid

  • 键盘按下Ctrl+C给前台进程组发送SIGINT，Ctrl+Z发送SIGSTP

  • kill函数

进程主函数的逻辑控制流与信号处理函数也是并发的。但是与多进程并发不同，进程的主函数与信号处理函数是共用内存空间的。所以信号处理函数也存在并发编程中死锁，同步一致性等问题。为了防止这些问题发生，可以遵守以下规则写安全的信号处理函数：

  • 使信号处理函数尽量简单，比如设置一个全局标记后马上返回

  • 在信号处理函数中只调用可重入函数(Reentrant Function)。异步安全函数指(没有使用全局/函数静态变量，所用变量存储在栈上)，或无法被信号中断的函数。异步安全的函数包括_exit，write，wait，waitpid，sleep，kill等；而常用的异步不安全函数有printf，sprintf，exit，malloc等。信号处理函数中不应该使用异步不安全函数；

  • 在进入和退出信号安全函数时分别保存和恢复全局变量errno

  • 访问共享数据前阻塞信号实现保护读/写

  • 共享的全局变量声明为volatile，声明后变量将不会缓存到寄存器中而导致不一致问题。典型应用是在信号处理函数设置全局标记，主函数中while循环忙等该标记，则该标记要声明为volatile。如果该标记缓存到寄存器中，则主函数永远不能停止循环。

  • 共享的全局标记声明为volatile sig_atomic_t，大多数系统的sig_atomic_t类型大小等同int，但是读写操作是不可中断的。