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Chap 8: Exceptional Control Flow

约 3175 个字 37 行代码 预计阅读时间 17 分钟

CPU 执行的指令地址序列称为 control flow．正常控制流主要由两类机制形成：

  • 顺序执行下一条指令．
  • 通过 call、ret、jmp、条件跳转等指令改变下一条指令地址．

但程序并不总是只沿着这些显式指令转移执行．当内部异常、外部中断、进程上下文切换、信号等事件打断原来的执行序列时，就形成了 Exceptional Control Flow, ECF．

ECF 可以分布在不同层次：

  • 硬件层：异常和中断．
  • 操作系统层：进程调度与上下文切换．
  • 应用层：信号、非本地跳转．

本章的主线是：操作系统如何借助硬件异常机制，在进程之间切换控制流，并向用户进程暴露 fork、execve、waitpid、signal 等接口．

1. Processes

1.1 Program vs Process

Program 是代码和数据的静态集合，通常对应一个可执行文件．

Process 是程序的一次运行过程，是操作系统对正在执行的程序的抽象．同一个程序可以被加载运行多次，对应多个不同进程．

进程提供两个重要假象：

  • 独立的逻辑控制流：每个进程看起来像独占 CPU．
  • 私有的虚拟地址空间：每个进程看起来像独占内存．

这些假象让程序员可以按顺序程序的方式编写代码，而把真正的 CPU 分时复用、地址空间隔离、资源回收交给操作系统处理．

1.2 Logical Control Flow

对于给定输入，一个进程执行过的指令地址序列称为它的 logical control flow．

在单处理器系统中，多个进程的逻辑控制流会在时间上交错执行．这种交错称为 concurrency（并发）．如果多个控制流在同一时刻真正运行在不同处理器核上，则称为 parallelism（并行）．

逻辑控制流被打断后，只要操作系统保存并恢复好现场，进程仍然可以回到原来的断点继续执行．

1.3 Context Switch

进程的 context 是恢复该进程运行所需的全部状态，主要包括：

  • User-level context：代码、数据、堆、用户栈、共享库等用户地址空间内容．
  • System-level context：进程描述符、页表、内核栈、打开文件表等内核维护的信息．
  • Register context：通用寄存器、程序计数器、栈指针、状态寄存器等硬件现场．

Context switch 指操作系统保存当前进程的上下文，恢复另一个进程的上下文，让 CPU 改为运行另一个进程．

需要区分两件事：

  • 异常或中断处理时，CPU 进入内核态，执行的是当前进程的一段 kernel control path．此时不一定切换到另一个进程．
  • 上下文切换后，CPU 执行的是另一个用户进程．这才是真正从一个进程切换到另一个进程．

2. Exceptions

2.1 Basic Mechanism

从处理器视角看，exception 是控制流中的突变．当处理器检测到某个事件后，会通过异常表跳转到操作系统内核中的处理程序．

基本流程：

  1. CPU 检测到事件，并确定对应的异常号或中断向量号．
  2. CPU 根据异常表或 IDT 找到对应 handler 的入口地址．
  3. CPU 保存断点和处理器状态，必要时从用户态切换到内核态并切换到内核栈．
  4. 内核 handler 处理事件．
  5. handler 根据事件类型选择返回当前指令、返回下一条指令，或者终止当前进程．

2.2 Exception Classes

异常类别的核心区别在于：事件是否由当前指令引起，以及 handler 结束后返回到哪里．

类别 来源 同步性 典型例子 返回行为
中断 Interrupt 外部 I/O 设备事件 异步 定时器、网络包到达、键盘输入、DMA 完成 返回下一条指令
陷阱 Trap 当前指令有意触发 同步 系统调用、断点、单步调试 返回下一条指令
故障 Fault 当前指令导致错误 同步 缺页、保护违例、除零、非法指令 可恢复则返回当前指令重新执行，否则终止进程
终止 Abort 严重硬件错误 同步 机器检查、内存硬件故障 不返回，通常终止进程或重启系统

异步和同步的区别是异常产生的原因来自 CPU 外部还是内部．

  • Interrupt 和当前正在执行的指令无关，处理完后继续执行下一条指令．
  • Trap 是程序主动“陷入”内核，常用于系统调用和调试，处理完后也继续执行下一条指令．
  • Fault 是当前指令执行不下去了，内核若能补救，就回到同一条指令重新执行．
  • Abort 表示系统已经无法可靠恢复，断点通常没有意义．

2.3 Interrupts

Interrupt 由 CPU 外部事件触发，因此是异步的．典型事件包括定时器中断、键盘输入、网络数据到达、打印机缺纸、DMA 传输完成等．

每执行完一条指令，CPU 会检查是否存在外部中断请求．如果需要响应中断，CPU 会保存下一条指令地址和当前状态，转入对应的中断服务程序．服务程序完成后，控制流回到原程序的下一条指令．

2.4 Traps

Trap 是程序主动执行某条特殊指令触发的异常，也叫自陷．它像普通函数调用一样，为用户程序提供进入内核的受控入口．

最典型的 trap 是 system call．例如用户程序调用 open、read、fork、execve 时，库函数会把系统调用号和参数放到约定寄存器中，然后执行 syscall、sysenter 或旧式 int $0x80 指令，陷入内核执行系统调用服务例程．

Trap 的返回点是 trap 指令的下一条指令．

调试器中的断点和单步也依赖 trap：

  • 断点通常通过插入特殊 trap 指令实现．
  • 单步跟踪可以让每条指令执行后都触发调试异常．

2.5 Faults

Fault 是当前指令执行过程中产生的异常．它的断点是发生 fault 的那条指令．

Fault 的关键是是否可恢复：

  • 可恢复 fault：内核补救后，返回发生 fault 的指令重新执行．典型例子是缺页．
  • 不可恢复 fault：内核无法补救，通常向进程发送信号并终止进程．典型例子是访问越权、非法指令、除零等．

Page fault 是最重要的 fault 例子．如果访问的虚拟页合法但当前不在主存，内核可以把页面从磁盘调入内存，然后让引起缺页的指令重新执行．如果地址非法或权限不匹配，内核通常向进程发送 SIGSEGV，默认行为是终止进程并显示 Segmentation fault．

需要注意：C 语言数组越界本身不一定立刻触发 fault．如果越界地址仍然落在进程可访问页面内，硬件不会知道这是数组越界，只会按普通内存访问执行．

2.6 Aborts

Abort 表示严重且通常不可恢复的错误，例如机器检查、内存硬件错误等．这类事件发生后，handler 不会把控制流交还给应用程序，系统通常会终止当前进程，严重时需要重启操作系统．

Abort 的特点是：它不一定能精确对应到某条可恢复指令，因此“返回到哪里”通常没有意义．

3. Process Control

3.1 Process States

从程序员视角看，进程通常处于三种状态之一：

  • Running：正在 CPU 上运行，或等待被调度运行．
  • Stopped：执行被挂起，不会被调度，直到收到 SIGCONT 等信号．
  • Terminated：进程已经终止，但可能还没被父进程回收．

进程终止的常见原因：

  • 从 main 返回．
  • 调用 exit．
  • 收到默认行为为终止进程的信号．

3.2 fork

见 fork

3.3 Reaping Children

子进程终止后不会立刻从系统中完全消失．内核会保留它的退出状态，直到父进程回收它．

  • Zombie process：已经终止但尚未被父进程回收的子进程．
  • Orphan process：父进程先终止，子进程被 init 或系统服务进程接管．

父进程使用 waitpid 回收子进程：

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#include <sys/types.h>
#include <sys/wait.h>

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

常见用法：

  • waitpid(-1, &status, 0)：等待任意一个子进程终止．
  • waitpid(pid, &status, 0)：等待指定 PID 的子进程终止．
  • WNOHANG：没有子进程结束时立即返回，不阻塞．

常用状态宏：

  • WIFEXITED(status)：子进程是否正常终止．
  • WEXITSTATUS(status)：正常终止时的退出状态．
  • WIFSIGNALED(status)：子进程是否因为未捕获信号而终止．
  • WTERMSIG(status)：导致子进程终止的信号编号．
  • WIFSTOPPED(status)：子进程是否被信号挂起．
  • WSTOPSIG(status)：导致子进程挂起的信号编号．

3.4 execve

execve 在当前进程上下文中加载并运行一个新程序．

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#include <unistd.h>

int execve(const char *filename, char *const argv[], char *const envp[]);

如果 execve 成功，它不会返回到调用点，而是直接开始执行新程序的 main．如果失败，返回 -1 并设置 errno．

Shell 执行命令时通常是：

  1. 解析命令行，构造 argv 和 envp．
  2. 调用 fork 创建子进程．
  3. 子进程调用 execve 加载目标程序．
  4. 父进程用 waitpid 回收前台子进程．

4. Signals

4.1 Signal Model

Signal 是一种更高层的 ECF 机制，用于通知进程某类事件已经发生．

信号可能来自：

  • 内核检测到的异常，例如除零产生 SIGFPE，非法地址访问产生 SIGSEGV．
  • 外部事件，例如按下 Ctrl-C 产生 SIGINT，定时器到期产生 SIGALRM．
  • 其他进程调用 kill 请求内核发送信号．

信号模型中有几个基本概念：

  • Sending：内核向目标进程发送信号．
  • Pending signal：信号已经发送但尚未被接收．
  • Blocked signal：进程暂时屏蔽某类信号，使其保持 pending．
  • Receiving：进程对某个未阻塞 pending signal 采取动作．

对于传统 Unix 信号，同一种信号在一个进程中通常最多只保留一个 pending 实例．后续同类信号可能被合并，不会排队保存每一次发生．

4.2 Common Signals

信号 典型原因 默认行为
SIGINT 键盘 Ctrl-C 终止进程
SIGTSTP 键盘 Ctrl-Z 挂起进程
SIGCONT 恢复被挂起进程 继续运行
SIGKILL 强制终止 终止进程，不能捕获或忽略
SIGSTOP 强制挂起 挂起进程，不能捕获或忽略
SIGCHLD 子进程终止或停止 默认忽略
SIGSEGV 非法内存访问 终止进程
SIGFPE 算术异常，如整数除零 终止进程
SIGALRM alarm 定时器到期 终止进程

4.3 Sending Signals

kill 可以请求内核向进程或进程组发送信号：

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#include <sys/types.h>
#include <signal.h>

int kill(pid_t pid, int sig);
  • pid > 0：发送给指定 PID 的进程．
  • pid == 0：发送给调用进程所在进程组中的所有进程．
  • pid < 0：发送给进程组 ID 为 |pid| 的所有进程．

alarm 会在指定秒数后向调用进程发送 SIGALRM：

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#include <unistd.h>

unsigned int alarm(unsigned int seconds);

Shell 中也可以用 /bin/kill 发送信号，例如 kill -9 pid 发送 SIGKILL．

4.4 Receiving Signals

内核通常在从内核态返回用户态前，检查当前进程是否有未阻塞的 pending signal．如果存在，内核会让进程接收其中一个信号，并执行相应动作：

  • 忽略该信号．
  • 终止进程．
  • 挂起进程．
  • 调用用户注册的 signal handler．

signal 可以为某个信号注册 handler：

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#include <signal.h>

typedef void (*sighandler_t)(int);
sighandler_t signal(int signum, sighandler_t handler);

handler 可以是：

  • SIG_IGN：忽略该信号．
  • SIG_DFL：恢复默认行为．
  • 自定义函数地址：捕获信号并执行该 handler．

SIGKILL 和 SIGSTOP 不能被捕获，也不能被忽略．

Signal Handler

Signal handler 会异步打断主程序控制流，因此应尽量短小，并避免调用不可重入或非 async-signal-safe 的函数．复杂逻辑通常应该通过设置全局标志位，让主控制流之后再处理．

5. Nonlocal Jumps

普通函数调用遵循 call-return 结构，而 nonlocal jump 可以直接从一个函数跳到另一个正在执行的函数位置，不按正常返回链逐层返回．

C 语言提供 setjmp 和 longjmp：

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#include <setjmp.h>

int setjmp(jmp_buf env);
void longjmp(jmp_buf env, int retval);

setjmp 保存当前调用环境，并第一次返回 0．之后如果调用 longjmp(env, retval)，控制流会回到对应的 setjmp 位置，此时 setjmp 返回非零值 retval．如果 retval 为 0，实际返回值会被改成 1．

基本结构：

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jmp_buf env;

if (setjmp(env) == 0) {
    /* normal path */
} else {
    /* path reached by longjmp */
}

在信号处理中，应该使用可以保存信号屏蔽状态的版本：

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#include <setjmp.h>

int sigsetjmp(sigjmp_buf env, int savesigs);
void siglongjmp(sigjmp_buf env, int retval);

一个常见用法是：主程序用 sigsetjmp 建立恢复点，信号处理程序在捕获 SIGFPE、SIGSEGV 等信号后调用 siglongjmp，让控制流跳出出错位置，回到主程序的恢复分支．

但 nonlocal jump 会跳过中间函数的正常返回过程，因此也会跳过这些函数本该执行的清理逻辑．使用时需要非常克制．

6. Summary

本章的核心可以压缩成一条链：

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exception event
    -> exception table / IDT
    -> kernel handler
    -> return to current instruction / return to next instruction / terminate

最重要的分类是：

  • Interrupt：外部异步事件，返回下一条指令．
  • Trap：主动陷入内核，返回下一条指令．
  • Fault：当前指令出错，可恢复则重试当前指令，不可恢复则终止进程．
  • Abort：严重不可恢复错误，不返回．

进程、信号和非本地跳转都是建立在这套异常控制流思想上的更高层抽象．