深刻淺出計算機組成原理學習筆記：第二十八講

1、引子

過去這麼多講，咱們的程序都是自動運行且正常運行的。自動運行的意思是說，咱們的程序和指令都是一條條順序執行，你不須要經過鍵盤或者網絡給這個程序任何輸入。
正常運行是說，咱們的程序都是可以正常執行下去的，沒有遇到計算溢出之類的程序錯誤。

不過，現實的軟件世界可沒有這麼簡單。一方面，程序不只是簡單的執行指令，更多的還須要和外部的輸入輸出打交道。另外一方面，程序在執行過程當中，還會遇到各類異常狀況，
好比除以0、溢出，甚至咱們本身也可讓程序拋出異常。

那這一講，我就帶你來看看，若是遇到這些狀況，計算機是怎麼運轉的，也就是說，計算機到底是如何處理異常的。

2、異常：硬件、系統和應用的組合拳

一、軟件異常」和「硬件異常」

一提到計算機當中的 異常（Exception），可能你的第一反應就是C++或者Java中的Exception。不過咱們今天講的，並非這些軟件開發過程當中遇到的「軟件異常」，而是和硬件、系統相關的「硬件異常」。固然，「軟件異常」和「硬件異常」並非實際業界使用的專有名詞，只是我爲了方便給你說明，和C++、Java中軟件拋出的Exception進行的人爲區分，你明白這個意思就好。

儘管，這裏我把這些硬件和系統相關的異常，叫做「硬件異常」。可是，實際上，這些異常，既有來自硬件的，也有來自軟件層面的。

好比，咱們在硬件層面，當加法器進行兩個數相加的時候，會遇到算術溢出；或者，你在玩遊戲的時候，按下鍵盤發送了一個信號給到CPU，CPU要去執行一個現有流程以外的指令，
這也是一個「異常」。一樣，來自軟件層面的，好比咱們的程序進行系統調用，發起一個讀文件的請求。這樣應用程序向系統調用發起請求的狀況，同樣是經過「異常」來實現的。

二、異常的前半生和後半生

關於異常，最有意思的一點就是，它實際上是一個硬件和軟件組合到一塊兒的處理過程。異常的前半生，也就是異常的發生和捕捉，是在硬件層面完成的。可是異常的後半生，
也就是說，異常的處理，實際上是由軟件來完成的。

三、異常代碼

計算機會爲每一種可能會發生的異常，分配一個異常代碼（Exception Number）。有些教科書會把異常代碼叫做中斷向量（Interrupt Vector）。異常發生的時候，
一般是CPU檢測到了一個特殊的信號。好比，你按下鍵盤上的按鍵，輸入設備就會給CPU發一個信號。或者，正在執行的指令發生了加法溢出，一樣，咱們能夠有一個進位溢出的信號。
這些信號呢，在組成原理裏面，咱們通常叫做發生了一個事件（Event）。CPU在檢測到事件的時候，其實也就拿到了對應的異常代碼。

這些異常代碼裏，I/O發出的信號的異常代碼，是由操做系統來分配的，也就是由軟件來設定的。而像加法溢出這樣的異常代碼，則是由CPU預先分配好的，
也就是由硬件來分配的。這又是另外一個軟件和硬件共同組合來處理異常的過程。

拿到異常代碼以後，CPU就會觸發異常處理的流程。計算機在內存裏，會保留一個異常表（ExceptionTable）。也有地方，把這個表叫做中斷向量表（Interrupt Vector Table），

好和上面的中斷向量對應起來。這個異常表有點兒像咱們在第10講裏講的GOT表，存放的是不一樣的異常代碼對應的異常處理程序（Exception Handler）所在的地址。

四、異常處理程序

咱們的CPU在拿到了異常碼以後，會先把當前的程序執行的現場，保存到程序棧裏面，而後根據異常碼查詢，找到對應的異常處理程序，最後把後續指令執行的指揮權，交給這個異常處理程序。

 

這樣「檢測異常，拿到異常碼，再根據異常碼進行查表處理」的模式，在平常開發的過程當中是很常見的。

五、系統和應用的組合拳

好比說，如今咱們平常進行的Web或者App開發，一般都是先後端分離的。前端的應用，會向後端發起HTTP的請求。當後端遇到了異常，一般會給到前端一個對應的錯誤代碼。
前端的應用根據這個錯誤代碼，在應用層面去進行錯誤處理。在不能處理的時候，它會根據錯誤代碼向用戶顯示錯誤信息。

public class LastChanceHandler implements Thread.UncaughtExceptionHandler {
    @Override
    public void uncaughtException(Thread t, Throwable e) {
        // do something here - log to file and upload to    server/close resources/delete files...
    }
}

Thread.setDefaultUncaughtExceptionHandler(new LastChanceHandler());

再好比說，Java裏面，咱們使用一個線程池去運行調度任務的時候，能夠指定一個異常處理程序。對於各個線程在執行任務出現的異常狀況，咱們是經過異常處理程序進行處理，
而不是在實際的任務代碼裏處理。這樣，咱們就把業務處理代碼就和異常處理代碼的流程分開了。

3、異常的分類：中斷、陷阱、故障和停止

我在前面說了，異常能夠由硬件觸發，也能夠由軟件觸發。那咱們平時會碰到哪些異常呢？下面咱們就一塊兒來看看。

一、第一種異常叫 中斷（Interrupt）

顧名思義，天然就是程序在執行到一半的時候，被打斷了。這個打斷執行的信號，來自於CPU外部的I/O設備。你在鍵盤上按下一個按鍵，就會對應觸發一個相應的信號到達CPU
裏面。CPU裏面某個開關的值發生了變化，也就觸發了一箇中斷類型的異常。

二、第二種異常叫 陷阱（Trap）。陷阱

實際上是咱們程序員「故意「主動觸發的異常。就好像你在程序裏面打了一個斷點，這個斷點就是設下的一個"陷阱"。當程序的指令執行到這個位置的時候，就掉到了這個陷阱當
中。而後，對應的異常處理程序就會來處理這個"陷阱"當中的獵物。

最多見的一類陷阱發生在咱們的應用程序調用系統調用的時候，也就是從程序的用戶態切換到內核態的時候。咱們在第3講講CPU性能的時候說過，能夠用Linux下的time指令，去查看一個程序運行實際花費的時間，裏面有在用戶態花費的時間（user time），也有在內核態發生的時間（system time）。

咱們的應用程序經過系統調用去讀取文件、建立進程，其實也是經過觸發一次陷阱來進行的。這是由於，咱們用戶態的應用程序沒有權限來作這些事情，
須要把對應的流程轉交給有權限的異常處理程序來進行。

三、第三種異常叫 故障（Fault）

它和陷阱的區別在於，陷阱是咱們開發程序的時候刻意觸發的異常，而故障一般不是。好比，咱們在程序執行的過程當中，進行加法計算髮生了溢出，其實就是故障類型的異常。這個
異常不是咱們在開發的時候計劃內的，也同樣須要有對應的異常處理程序去處理。

四、故障和陷阱的區別

故障和陷阱、中斷的一個重要區別是，故障在異常程序處理完成以後，仍然回來處理當前的指令，而不是去執行程序中的下一條指令。由於當前的指令由於故障的緣由並無成功執行完成。

最後一種異常叫 停止（Abort）。與其說這是一種異常類型，不如說這是故障的一種特殊狀況。當CPU遇到了故障，可是恢復不過來的時候，程序就不得不停止了。

五、四種異常的比較

 

在這四種異常裏，中斷異常的信號來自系統外部，而不是在程序本身執行的過程當中，因此咱們稱之爲「異步」類型的異常。而陷阱、故障以及停止類型的異常，
是在程序執行的過程當中發生的，因此咱們稱之爲「同步「類型的異常。

在處理異常的過程中，不管是異步的中斷，仍是同步的陷阱和故障，咱們都是採用同一套處理流程，也就是上面所說的，「保存現場、異常代碼查詢、異常處理程序調用「。而停止類型的異常，
實際上是在故障類型異常的一種特殊狀況。當故障發生，可是咱們發現沒有異常處理程序可以處理這種異常的狀況下，程序就不得不進入停止狀態，也就是最終會退出當前的程序執行。

4、異常的處理：上下文切換

在實際的異常處理程序執行以前，CPU須要去作一次「保存現場」的操做。這個保存現場的操做，和我在第7講裏講解函數調用的過程很是類似。

由於切換到異常處理程序的時候，其實就好像是去調用一個異常處理函數。指令的控制權被切換到了另一個"函數"裏面，因此咱們天然要把當前正在執行的指令去壓棧。
這樣，咱們才能在異常處理程序執行完成以後，從新回到當前的指令繼續往下執行。

不過，切換到異常處理程序，比起函數調用，仍是要更復雜一些。緣由有下面幾點。

一、第一點

由於異常狀況每每發生在程序正常執行的預期以外，好比中斷、故障發生的時候。因此，除了原本程序壓棧要作的事情以外，咱們還須要把CPU內當前運行程序用到的全部寄存器，
都放到棧裏面。最典型的就是條件碼寄存器裏面的內容。

二、第二點

像陷阱這樣的異常，涉及程序指令在用戶態和內核態之間的切換。對應壓棧的時候，對應的數據是壓到內核棧裏，而不是程序棧裏。

三、第三點

像故障這樣的異常，在異常處理程序執行完成以後。從棧裏返回出來，繼續執行的不是順序的下一條指令，而是故障發生的當前指令。由於當前指令由於故障沒有正常執行成功，
必須從新去執行一次。因此，對於異常這樣的處理流程，不像是順序執行的指令間的函數調用關係。而是更像兩個不一樣的獨立進程之間在CPU層面的切換，

因此這個過程咱們稱之爲 上下文切換（Context Switch）。

5、總結延伸

這一講，我給你講了計算機裏的「異常」處理流程。這裏的異常能夠分紅中斷、陷阱、故障、停止這樣四種狀況。這四種異常，分別對應着I/O設備的輸入、
程序主動觸發的狀態切換、異常狀況下的程序出錯以及出錯以後無可挽回的退出程序。

當CPU遭遇了異常的時候，計算機就須要有相應的應對措施。CPU會經過「查表法」來解決這個問題。在硬件層面和操做系統層面，各自定義了全部CPU可能會遇到的異常代碼，
而且經過這個異常代碼，在異常表裏面查詢相應的異常處理程序。在捕捉異常的時候，咱們的硬件CPU在進行相應的操做，而在處理異常層面，則是由做爲軟件的異常處理程序進行相應的操做。

而在實際處理異常以前，計算機須要先去作一個「保留現場」的操做。有了這個操做，咱們才能在異常處理完成以後，從新回到以前執行的指令序列裏面來。
這個保留現場的操做，和咱們以前講解指令的函數調用很像。可是，由於「異常」和函數調用有一個很大的不一樣，那就是它的發生時間。函數調用的壓棧操做咱們在寫程序的時候徹底可以知道，而「異常」發生的時間卻很不肯定。

因此，「異常」發生的時候，咱們稱之爲發生了一次「上下文切換」（Context Switch）。這個時候，除了普通須要壓棧的數據外，計算機還須要把全部寄存器信息都存儲到棧裏面去。