CSAPP读书笔记--第八章 异常控制流

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第八章 异常控制流

概述

控制转移序列叫做控制流。目前为止，我们学过两种改变控制流的方式：

　　1）跳转和分支；

　　2）调用和返回。

但是上面的方法只能控制程序本身，发生以下系统状态的变化复杂问题时就没法使用上面的方法控制：

• 数据从磁盘或者网络适配器到达
• 指令除以了零
• 用户按下 ctrl+c
• 系统的计时器到时间

　　现代系统通过使控制流发生突变来对系统状态的变化做出反应，这些突变称为异常控制流。

　　异常控制流有四种实现机制：

1）异常（低层级）；2）进程上下文切换；3）信号；4）非本地跳转。（2-4高层级）

8.1 异常

        异常（exception）就是控制流中的突变，用来响应处理器状态中的某些变化。这里的异常是指将控制交给系统内核来处理某些事情。

内核是操作系统常驻内存的部分。

　　任何情况下，当处理器检测到有事件发生时，它会通过一张就做异常表的跳转表，进行一个间接过程的调用，使用异常处理程序（运行在内核模式下）来处理这类事件。这类事件包括被零除、缺页、算术溢出、I/O请求完成。异常处理程序完成处理后，会发生以下三种情况：

　　1）处理程序将控制放回给当前指令I_curr,即事件发生时正在执行的指令。

　　2）将控制返回给I_next;

　　3）终止被中断的程序。

　　系统中为每种类型的异常都分配了一个唯一的非负整数的异常号，系统会通过异常表来确定跳转的位置，每个事件都有对应的异常号，发生对应事件就调用对应的异常处理代码。 

异常的类别

 异常分为异步异常和同步异常。异步异常是硬件中断（称为中断处理程序），是有外部IO设备造成的，同步异常是执行当前指令的结果（称为故障指令）。

陷阱属于系统调用，运行在内核模式中，而普通的程序调用运行在用户模式中，限制了函数可以执行的指令的类型。

 这里重点分析一下故障异常，以缺页异常故障为例：

缺页异常发生的条件是：指令引用一个虚拟地址，但是与该地址相对应的物理页面不在内存中，因此必须从磁盘中读取，就会发生故障。

• 用户写入内存位置
• 但该位置目前还不在内存中

int a[1000];
main ()
{
    a[500] = 13;
}

那么系统会通过 Page Fault 把对应的部分载入到内存中，然后重新执行赋值语句：

 8.2 进程

　　通俗的定义是：占用内存空间的正在运行的程序。经典的定义是：一个执行中的程序的实例。进程提供给应用程序的关键抽象：1）一个独立的逻辑控制流；2）一个私有的地址空间。

　　并发流的概念：流X和Y互相并发，当且仅当X在Y开始之后和Y结束之前进行。或者Y在X开始之后和X结束之前开始。

　　上下文切换：1)保存当前进程的上下文；2）恢复某个先前被抢占的进程被保存的上下文；3）将控制传递给这个新恢复的进程。

8.3 进程控制

获取进程ID：

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

pid_t getpid(void);
pid_t getppid(void);

getpid返回调用进程的PID，getppid返回它的父进程的PID。

我们可以认为，进程有三个主要状态：

• 运行 Running
  • 正在被执行、正在等待执行或者最终将会被执行
• 停止 Stopped
  • 执行被挂起，在进一步通知前不会计划执行
• 终止 Terminated
  • 进程被永久停止

另外的两个状态称为新建(new)和就绪(ready)，这里不再赘述。

fork()函数创建进程。

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

pid_t fork(void);

//子进程返回0，父进程返回子进程的PID，如果出错，则返回-1

需要注意：

• 调用一次，返回两次；
• 并发执行；
• 相同但是独立的地址空间；
• 共享文件。

进程图

通过画进程图来理解fork函数：

• 每个节点代表一条执行的语句
• a -> b 表示 a 在 b 前面执行
• 边可以用当前变量的值来标记
• printf 节点可以用输出来进行标记
• 每个图由一个入度为 0 的节点作为起始

int main()
{
    pid_t pid;
    int x = 1;
    
    pid = Fork();
    if (pid == 0) 
    {   // Child
        printf("child! x = %d\n", --x);
        exit(0);
    }
    
    // Parent
    printf("parent! x = %d\n", x);
    exit(0);
}

在下面三种情况时，进程会被终止：

1. 接收到一个终止信号
2. 返回到 main
3. 调用了 exit 函数

exit 函数会被调用一次，但从不返回，具体的函数原型是

// 以 status 状态终止进程，0 表示正常结束，非零则是出现了错误
void exit(int status)

 8.4 回收子进程

　　一个终止了但是没有被回收的进程称为僵尸进程。如果父进程已经终止了，那么对应的没终止的子进程就称为孤儿进程。对于孤儿进程，内核会安排init进程称为他的孤儿进程的养父。init进程的PID是1，是在操作系统启动后由内核创建的，init进程会回收孤儿进程。

　　一个进程可以调用waitpid函数来等待它的子进程终止或者停止。

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

pid_t waitpid(pid_t pid,int *statusp,int options);
//pid 等待终止的目标子进程的ID，如果传递-1，则与wait函数相同，可以等待任意子进程终止
//statusp 传入变量的地址值
//如果设置为WNOHANG，即使没有终止的子进程也不会进入阻塞状态，而是返回0并且退出
//如果成功则返回子进程的ID，如果是WNOHANG，则为0，出错则为-1

• WIFEXITED子进程正常终止时则返回真；
• WEXITSTATUS返回子进程的返回值。

if(WIFEXITED(statusp)){//是正常终止吗？
    puts("Normal termination!");
    printf("Child pass num:%d",WEXITSTATUS(statusp));//那么返回值是多少？
}

如果想在子进程载入其他的程序，就需要使用 execve 函数，具体可以查看对应的 man page，这里不再深入。

8.5 信号

　　Linux 的进程树，可以通过 pstree 命令查看。

　　对于前台进程来说，我们可以在其执行完成后进行回收，而对于后台进程来说，因为不能确定具体执行完成的时间，所以终止之后就成为了僵尸进程，无法被回收并因此造成内存泄露。

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