技术前沿 囫囵C语言 二 ：陷阱，中断和异常
(2007-12-17 15:15)
分类： C&C++精华
囫囵C语言（二）：陷阱，中断和异常
上一章怀疑笔者老糊涂的读者，看到这个标题，基本上已经打消了疑虑：老家伙确实糊涂了。 这三个概念和C语言有什么关系呢？
中断这个词恐怕人民群众都不陌生。很多人把中断分为两种：硬件中断和软件中断。其实怎么叫关系都不大，关键是我们要明白他们之间的异同点。
笔者本身比较喜欢把 “中断”，分为三种即陷阱，中断和异常，我似乎记得Intel是这么划分的（这句话我不保证正确啊，有兴趣的读者自己看一下 Intel 的手册）。他们的英文分别是 trap，interrupt 和 exception。
陷阱 (trap)：
大家都知道，现代的CPU都是有优先级概念的，用户程序运行在低优先级，操作系统运行在高优先级。高优先级的一些指令低优先级无法执行。有一些操作只能由操作系统来执行，用户想要执行这些操作的时候就要通知操作系统，让操作系统来执行。用户态的程序就是用这种方法来通知操作系统的。
具体怎样做的呢？操作系统会把这些功能编号，比如向一个端口写一个字符的功能调用编号 12，有两个参数，端口号 port 和写入的字符 bytevalue。我们可以如下实现：（这个例子无法编译，但是这种汇编和 C 混合编程的风格微软的编译器支持，十分好用，顺便夸一句微软，他们的编译器是我用过得最优秀的商业编译器）
int outb(int port, int bytevalue)
{
__asm mov r0, 12; /* 功能号 */
__asm mov r1, port; /* 参数 port */
__asm mov r2, bytevalue; /* 参数 bytevalue */
__asm trap /* 陷入内核 */
return r0; /* 返回值 */
}
在操作系统的 trap 处理的 handler 里面，相信大家已经知道怎么办了。有些敏感的读者可能已经明白了，原来一部分 C 的库函数是用这种方法实现的。
中断：
中断我们这里专指来自于硬件的中断，通常分为电平触发和边沿触发（请参考数字电路）。简单的说就是 CPU 每执行完一条都去检测一条管腿的电平是否变化。如果满足条件，CPU 转向事先注册好的函数。系统中最重要的一个中断就是我们经常说的时钟中断。为什么要说这个呢？这和 C 程序有什么关系呢？书上说了中断是由操作系统处理的，操作系统会保存程序的现场啊，用户程序根本感觉不到中断的存在啊。书上说得没错，但是它有两件事情没有告诉你：
1. 线程调度策略。
2. 程序的现场不包括什么？
这里笔者想插一句话表达对国内操作系统教材作者的敬仰，他们是怎么把操作系统拆成一块一块儿的呢？因为，进程管理，线程调度，内存管理，中断管理，IPC，都是互相关联的。笔者十分怀疑分块讨论的意义到底有多大。
言归正传，先回答第一个问题，线程调度时机。在哪些情况下操作系统会运行 scheduler 呢？现代操作系统调度的基本单位都是线程，所以我们不讨论进程的概念。
1. 一些系统调用
2. I/O 操作
3. 一个线程创建
4. 一个线程结束
5. mutex lock
6. P semaphore
7. 硬件中断 / 时钟中断
8. 主动放弃 CPU，比如 sleep(), yield()
9. 给另外一个线程发消息，信号
10. 主动唤醒另外一个线程
11. 进程结束
:
:
欢迎大家来电来函补充 （我记不住那么多了）
第二个问题，现场不包括什么。至少不包括全局变量。
于是就有了一个经典的面试题：
int a;
void thread_1()
{
for (;;)
{
do something;
a++;
}
}
void thread_2()
{
for (;;)
{
do something;
a--;
}
}
main()
{
create_thread(thread_1);
create_thread(thread_2);
}
现在大家应该明白这种写法的错误了吧。因为 a++，a--，并不是一条汇编语言，它会被中断打断，而中断又会引起线程调度。有可能将另外一个线程投入运行。所以结果是无法预测的。讨论这个问题的文章很多，笔者也就不多费口舌了。
提个思考题，操作系统内部，中断和中断之间，中断和线程之间，怎么保护临界资源的呢？多个 CPU 之间呢？
异常：exception
异常是指一条指令会引起 CPU 的不快，比如除零。有群众说了，如果我除零错了，操作系统把我终止了不就完了，我回去改程序，改对了重新运行不就行了么。
但是有时候 CPU 希望操作系统能够排除这个异常，然后 CPU 重新尝试去执行这条引起异常的指令。这有什么用呢？下面我给大家介绍一个十分重要的异常，缺页异常。
大家都知道，现代的 CPU 都支持虚拟内存管理，我们还是在我们的虚拟 CPU 上讨论这个问题，上面我们说过了，我们的 CPU 使用 2 级页表映射，叶面大小 4K。我实在懒得写如何映射了，请大家参考 Intel 的手册。因为我们的重点不在这里。看下面的语句：
char *p = (char *)malloc(100 * 1024 * 1024);
有人说，没什么不同啊，只不过申请的内存稍微有点儿多啊。但操作系统真地给你那么多内存了么？如果这样的程序来上几个，系统内存岂不是早被耗光，但实际上并没有。所以操作系统采用了在我国盛行的一种机制：打白条！其实我们申请内存的时候操作系统仅仅在虚空间中分配了内存，也就是说仅仅是标记着，这100M的内存归你用，但是我先不给你，当你真的用的时候我再给你分配，这个分配指的就是实实在在的物理页面了。具体怎么实现的呢？我们看下面的语句发生了什么？
p[0x4538] = 'A';
有人疑问了，普通的赋值语句啊。没错，但是这条赋值语句执行了两次（这可不一定啊，我没说绝对，我只是在介绍一种机制），第一次没成功，因为发生了缺页异常，我们刚才说了操作系统仅仅是把这 100M 内存分配给用户了，但是没有对应真正的物理页面。操作系统并没有为 p+0x4538 所在的页面建立页表映射。所以缺页异常发生了。然后操作系统一看这个地址是已经分配给你了，我给你找个物理页面，给你建立好映射，你再执行一次试试。就这一点来说，操作系统比我们的某些官老爷信誉要良好的多，白条兑现了。
于是第二次执行成功了。有人看到这里已经满头雾水了，这个老家伙到底想说什么？
注意到了么，操作系统要给他临时找一个页面，找不到怎么办？对，页面交换，找个倒霉蛋，把它的一部分页面写到硬盘上，实际上操作系统只要空闲物理页面少于一定的程度就会做 swap。那么，如果你有个程序需要较高的效率，较好的反应速度，算法写得再好也没用，一个页面被交换出去全完。
现在明白了吧，优化程序，了解操作系统的运行机制是必不可少的。当然了优化程序绝不仅仅是这些。所以一个优秀的程序员十分有必要知道，你的程序到底运行在 “什么” 上面。
稍微总结一下：
陷阱：由 trap 指令引起，恢复后 CPU 执行下一条指令
中断：由硬件电平引起，恢复后 CPU 执行下一条指令
异常：由软件指令引起，恢复后 CPU 重新执行该条指令
有个牛人说过，Oracle 的数据库为什么总比别人的快一点点呢？因为那批人是写操作系统的。
上一章怀疑笔者老糊涂的读者，看到这个标题，基本上已经打消了疑虑：老家伙确实糊涂了。
中断这个词恐怕人民群众都不陌生。很多人把中断分为两种：硬件中断和软件中断。其实怎么叫关系都不大，关键是我们要明白他们之间的异同点。
笔者本身比较喜欢把 “中断”，分为三种即陷阱，中断和异常，我似乎记得Intel是这么划分的（这句话我不保证正确啊，有兴趣的读者自己看一下 Intel 的手册）。他们的英文分别是 trap，interrupt 和 exception。
陷阱 (trap)：
大家都知道，现代的CPU都是有优先级概念的，用户程序运行在低优先级，操作系统运行在高优先级。高优先级的一些指令低优先级无法执行。有一些操作只能由操作系统来执行，用户想要执行这些操作的时候就要通知操作系统，让操作系统来执行。用户态的程序就是用这种方法来通知操作系统的。
具体怎样做的呢？操作系统会把这些功能编号，比如向一个端口写一个字符的功能调用编号 12，有两个参数，端口号 port 和写入的字符 bytevalue。我们可以如下实现：（这个例子无法编译，但是这种汇编和 C 混合编程的风格微软的编译器支持，十分好用，顺便夸一句微软，他们的编译器是我用过得最优秀的商业编译器）
int outb(int port, int bytevalue)
{
__asm mov r0, 12; /* 功能号 */
__asm mov r1, port; /* 参数 port */
__asm mov r2, bytevalue; /* 参数 bytevalue */
__asm trap /* 陷入内核 */
return r0; /* 返回值 */
}
在操作系统的 trap 处理的 handler 里面，相信大家已经知道怎么办了。有些敏感的读者可能已经明白了，原来一部分 C 的库函数是用这种方法实现的。
中断：
中断我们这里专指来自于硬件的中断，通常分为电平触发和边沿触发（请参考数字电路）。简单的说就是 CPU 每执行完一条都去检测一条管腿的电平是否变化。如果满足条件，CPU 转向事先注册好的函数。系统中最重要的一个中断就是我们经常说的时钟中断。为什么要说这个呢？这和 C 程序有什么关系呢？书上说了中断是由操作系统处理的，操作系统会保存程序的现场啊，用户程序根本感觉不到中断的存在啊。书上说得没错，但是它有两件事情没有告诉你：
1. 线程调度策略。
2. 程序的现场不包括什么？
这里笔者想插一句话表达对国内操作系统教材作者的敬仰，他们是怎么把操作系统拆成一块一块儿的呢？因为，进程管理，线程调度，内存管理，中断管理，IPC，都是互相关联的。笔者十分怀疑分块讨论的意义到底有多大。
言归正传，先回答第一个问题，线程调度时机。在哪些情况下操作系统会运行 scheduler 呢？现代操作系统调度的基本单位都是线程，所以我们不讨论进程的概念。
1. 一些系统调用
2. I/O 操作
3. 一个线程创建
4. 一个线程结束
5. mutex lock
6. P semaphore
7. 硬件中断 / 时钟中断
8. 主动放弃 CPU，比如 sleep(), yield()
9. 给另外一个线程发消息，信号
10. 主动唤醒另外一个线程
11. 进程结束
:
:
欢迎大家来电来函补充 （我记不住那么多了）
第二个问题，现场不包括什么。至少不包括全局变量。
于是就有了一个经典的面试题：
int a;
void thread_1()
{
for (;;)
{
do something;
a++;
}
}
void thread_2()
{
for (;;)
{
do something;
a--;
}
}
main()
{
create_thread(thread_1);
create_thread(thread_2);
}
现在大家应该明白这种写法的错误了吧。因为 a++，a--，并不是一条汇编语言，它会被中断打断，而中断又会引起线程调度。有可能将另外一个线程投入运行。所以结果是无法预测的。讨论这个问题的文章很多，笔者也就不多费口舌了。
提个思考题，操作系统内部，中断和中断之间，中断和线程之间，怎么保护临界资源的呢？多个 CPU 之间呢？
异常：exception
异常是指一条指令会引起 CPU 的不快，比如除零。有群众说了，如果我除零错了，操作系统把我终止了不就完了，我回去改程序，改对了重新运行不就行了么。
但是有时候 CPU 希望操作系统能够排除这个异常，然后 CPU 重新尝试去执行这条引起异常的指令。这有什么用呢？下面我给大家介绍一个十分重要的异常，缺页异常。
大家都知道，现代的 CPU 都支持虚拟内存管理，我们还是在我们的虚拟 CPU 上讨论这个问题，上面我们说过了，我们的 CPU 使用 2 级页表映射，叶面大小 4K。我实在懒得写如何映射了，请大家参考 Intel 的手册。因为我们的重点不在这里。看下面的语句：
char *p = (char *)malloc(100 * 1024 * 1024);
有人说，没什么不同啊，只不过申请的内存稍微有点儿多啊。但操作系统真地给你那么多内存了么？如果这样的程序来上几个，系统内存岂不是早被耗光，但实际上并没有。所以操作系统采用了在我国盛行的一种机制：打白条！其实我们申请内存的时候操作系统仅仅在虚空间中分配了内存，也就是说仅仅是标记着，这100M的内存归你用，但是我先不给你，当你真的用的时候我再给你分配，这个分配指的就是实实在在的物理页面了。具体怎么实现的呢？我们看下面的语句发生了什么？
p[0x4538] = 'A';
有人疑问了，普通的赋值语句啊。没错，但是这条赋值语句执行了两次（这可不一定啊，我没说绝对，我只是在介绍一种机制），第一次没成功，因为发生了缺页异常，我们刚才说了操作系统仅仅是把这 100M 内存分配给用户了，但是没有对应真正的物理页面。操作系统并没有为 p+0x4538 所在的页面建立页表映射。所以缺页异常发生了。然后操作系统一看这个地址是已经分配给你了，我给你找个物理页面，给你建立好映射，你再执行一次试试。就这一点来说，操作系统比我们的某些官老爷信誉要良好的多，白条兑现了。
于是第二次执行成功了。有人看到这里已经满头雾水了，这个老家伙到底想说什么？
注意到了么，操作系统要给他临时找一个页面，找不到怎么办？对，页面交换，找个倒霉蛋，把它的一部分页面写到硬盘上，实际上操作系统只要空闲物理页面少于一定的程度就会做 swap。那么，如果你有个程序需要较高的效率，较好的反应速度，算法写得再好也没用，一个页面被交换出去全完。
现在明白了吧，优化程序，了解操作系统的运行机制是必不可少的。当然了优化程序绝不仅仅是这些。所以一个优秀的程序员十分有必要知道，你的程序到底运行在 “什么” 上面。
稍微总结一下：
陷阱：由 trap 指令引起，恢复后 CPU 执行下一条指令
中断：由硬件电平引起，恢复后 CPU 执行下一条指令
异常：由软件指令引起，恢复后 CPU 重新执行该条指令
有个牛人说过，Oracle 的数据库为什么总比别人的快一点点呢？因为那批人是写操作系统的。
