计算机中的异常（异常处理机制能解决程序中遇到的所有）

当计算机执行程序时，它按照逐段执行代码的流程运行。当流程切换到下一段代码时，我们把这个切换过程称为「控制转移流」。而在出现异常情况时，这个过程被称为「异常控制流」。

什么是异常？

「异常」其实是异常控制流的一种形式，由计算机的硬件和操作系统共同实现，虽然各个计算机的具体细节可能不同，但其基本概念都相同。

什么是异常表？

当系统启动时，操作系统会初始化一张「异常表」，异常表是一张跳转表，用于管理不同类型异常的处理程序地址。

每种异常都有一个唯一的「异常号」，当处理器检测到异常事件时，它会使用异常表来定位并执行相应的异常处理程序，这些异常处理程序可以是处理器设计者或操作系统内核设计者分配，用于处理各种异常情况，如除零错误、内存越界、算术溢出等。

计算机中的异常（异常处理机制能解决程序中遇到的所有）

当指令顺序为：指令1 → 指令2 → 指令3，当发生异常后，根据处理表中对应处理程序的执行结果，有三种可能情况：

异常的类型

计算机中存在不同类型的异常，如中断、陷阱、故障和终止，我们来详细分析下。

异步事件，由处理器外部 I/O 设备触发。

计算机中的异常（异常处理机制能解决程序中遇到的所有）

处理器在当前指令完成后检测到中断引脚的电压变高了，从系统总线读取「异常号」，根据异常号查找并执行相应的中断处理程序。

处理程序执行完毕后，控制权返回给下一条指令，使程序继续执行，就好像没有中断发生一样。

有意引发的异常。

用于提供「用户模式」与「内核模式」之间的接口，称为系统调用。

用户程序通常需要请求内核提供服务，如读文件、创建进程、加载新程序、终止进程等等，这些操作需要在「内核模式」下执行。

用户程序运行在用户模式下，受到限制，无法直接访问内核栈。通过执行\\”syscall n\\”等指令，用户程序触发陷阱，调用相应的内核程序，解析参数并执行特权操作。

故障是由错误情况引起的，可能会被故障处理程序修复。当故障发生时，处理器将控制权转移给故障处理程序。

如果故障可处理，控制权返回给引发故障的程序，允许重新执行。如果无法处理，控制权返回给内核的 abort 例程，终止引发故障的应用程序。

当指令引用一个虚拟地址时，该地址与对应的页面不在内存中，必须从磁盘中取出，因此就会发生故障，处理程序从磁盘加载适当的页面，然后控制返回给引起故障的指令。

当指令再次执行时，相应的页面已经在内存中了，指令就可以没有故障的运行完成。

由不可恢复的致命错误引发，通常是硬件错误。终止程序不将控制权返回给应用程序，而是直接返回给一个 abort 例程，该例程终止应用程序的执行。

这些异常类别允许操作系统和硬件有效地处理各种事件和错误情况，以确保系统的稳定性和可靠性。

在x86-64系统中，有高达 256 种不同的异常类型。其中，0~31 异常类型是由 Intel 架构师定义的，包括除零、越界检测、无效操作码等。

而 32~255 异常类型是由操作系统定义的中断和陷阱，它们可以根据不同的操作系统和应用程序需求来定义和使用。

这种分隔使操作系统能够在32到255的范围内自由定义和管理中断和陷阱，以满足特定系统的要求，同时保持与硬件异常的分离，从而提高了系统的可扩展性和灵活性。

题图生成：Pixabay
内容优化：ChatGPT
内容来源：《深入理解计算机系统》

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