中断

在计算机科学中，中断（英语：Interrupt）是指处理器接收到来自硬件或软件的信号，提示发生了某个事件，应该被注意，这种情况就称为中断。
通常，在接收到来自外围硬件（相对于中央处理器和内存）的异步信号，或来自软件的同步信号之后，处理器将会进行相应的硬件／软件处理。发出这样的信号称为进行中断请求（interrupt request，IRQ）。硬件中断导致处理器通过一个执行信息切换（context switch）来保存执行状态（以程序计数器和程序状态字等寄存器信息为主）；软件中断则通常作为CPU指令集中的一个指令，以可编程的方式直接指示这种执行信息切换，并将处理导向一段中断处理代码。中断在计算机多任务处理，尤其是即时系统中尤为有用。这样的系统，包括运行于其上的操作系统，也被称为“中断驱动的”（interrupt-driven）。

总览

中断是用以提高计算机工作效率、增强计算机功能的一项重要技术。最初引入硬件中断，只是出于性能上的考量。如果计算机系统没有中断，则处理器与外部设备通信时，它必须在向该设备发出指令后进行忙等待（Busy waiting），反复轮询该设备是否完成了动作并返回结果。这就造成了大量处理器周期被浪费。引入中断以后，当处理器发出设备请求后就可以立即返回以处理其他任务，而当设备完成动作后，发送中断信号给处理器，后者就可以再回过头获取处理结果。这样，在设备进行处理的周期内，处理器可以执行其他一些有意义的工作，而只付出一些很小的切换所引发的时间代价。后来被用于CPU外部与内部紧急事件的处理、机器故障的处理、时间控制等多个方面，并产生通过软件方式进入中断处理（软中断）的概念。

在硬件实现上，中断可以是一个包含控制线路的独立系统，也可以被集成进存储器子系统中。对于前者，在IBM个人机上，广泛使用可编程中断控制器（Programmable Interrupt Controller，PIC）来负责中断响应和处理。PIC被连接在若干中断请求设备和处理器的中断引脚之间，从而实现对处理器中断请求线路（多为一针或两针）的复用。作为另一种中断实现的形式，即存储器子系统实现方式，可以将中断端口映射到存储器的地址空间，这样对特定存储器地址的访问实际上是中断请求。

中断种类

硬件中断（Hardware Interrupt）：

• 可屏蔽中断（maskable interrupt）。硬件中断的一类，可通过在中断屏蔽寄存器中设定位掩码来关闭。
• 非可屏蔽中断（non-maskable interrupt，NMI）。硬件中断的一类，无法通过在中断屏蔽寄存器中设定位掩码来关闭。典型例子是时钟中断（一个硬件时钟以恒定频率—如50Hz—发出的中断）。
• 处理器间中断（interprocessor interrupt）。一种特殊的硬件中断。由处理器发出，被其它处理器接收。仅见于多处理器系统，以便于处理器间通信或同步。
• 伪中断（spurious interrupt）。一类不希望被产生的硬件中断。发生的原因有很多种，如中断线路上电气信号异常，或是中断请求设备本身有问题。

软件中断（Software Interrupt）：

• 软件中断。是一条CPU指令，用以自陷一个中断。由于软中断指令通常要运行一个切换CPU至内核态（Kernel Mode/Ring 0）的子例程，它常被用作实现系统调用（System call）。

中断处理流程

中断应用

中断的典型应用包括系统时钟、磁盘输入输出操作、断电信号以及软件自陷等。

• 系统时钟通过一个计数器（多基于某种振动频率）定期向CPU发出中断，CPU通过专门的时钟中断处理程序来保持计时。现代操作系统对系统时钟的另一个主要应用是为进程切换提供时机。一旦时钟中断发生，程序计数器会被自动压栈，而此时操作系统就有机会将程序状态及内存映像转存至别处，并调用进程调度程序来选择下一个进程，并将其进程状态，包括程序计数器，导入寄存器。这样下一个程序就可以运行。应注意进程调度程序的调度时机不止于时钟中断。
• 磁盘中断标识某个磁盘设备完成了数据的发送／接收。磁盘中断发生后，等待这个中断的进程可以（但未必，这取决于进程调度程序当时的判断）继续执行。
• 断电中断指示计算机能源即将丧失，计算机可以相应中断程序作有序的关机处理。

信号

信号在最早的UNIX系统引入，用于进程间通信，是内核的一种软件机制，通过内核代码实现的。
内核对信号的响应机制有点像中断，信号来了后需要打断当前进程的执行，去执行信号处理函数，
执行完毕后，再恢复原来的上下文继续执行。

信号是Linux系统中用于进程之间通信或操作的一种机制，信号可以在任何时候发送给某一进程，而无须知道该进程的状态。如果该进程并未处于执行状态，则该信号就由内核保存起来，直到该进程恢复执行并传递给他为止。如果一个信号被进程设置为阻塞，则该信号的传递被延迟，直到其阻塞被取消时才被传递给进程。

Linux提供了几十种信号，分别代表着不同的意义。信号之间依靠他们的值来区分，但是通常在程序中使用信号的名字来表示一个信号。在Linux系统中，这些信号和以他们的名称命名的常量被定义在/usr/includebitssignum.h文件中。通常程序中直接包含就好。

信号是在软件层次上对中断机制的一种模拟，是一种异步通信方式，信号可以在用户空间进程和内核之间直接交互。内核也可以利用信号来通知用户空间的进程来通知用户空间发生了哪些系统事件。信号事件有两个来源：
1）硬件来源，例如按下了cltr+C，通常产生中断信号sigint
2）软件来源，例如使用系统调用或者命令发出信号。最常用的发送信号的系统函数是kill,raise,setitimer,sigation,sigqueue函数。软件来源还包括一些非法运算等操作。

一旦有信号产生，用户进程对信号产生的相应有三种方式：
1）执行默认操作，linux对每种信号都规定了默认操作。
2）捕捉信号，定义信号处理函数，当信号发生时，执行相应的处理函数。
3）忽略信号，当不希望接收到的信号对进程的执行产生影响，而让进程继续执行时，可以忽略该信号，即不对信号进程作任何处理。
有两个信号是应用进程无法捕捉和忽略的，即SIGKILL和SEGSTOP，这是为了使系统管理员能在任何时候中断或结束某一特定的进程。

• 信号发送
• 信号处理
• 信号阻塞

  示例

  ```c

  include

  include

  include

  include

void func_ctrl_c();

int main() { (void) signal(SIGINT, func_ctrl_c);

printf("Main: a forever loop.\n");
while(1) {
    printf("Forever loop, enter Ctrl+C if you want to exist.\n");
    sleep(3);
}
exit(0);

}

void func_ctrl_c() { printf(“\t You have enter Ctrl+C!\n”); printf(“\t Signal process function.\n”);

printf("\t Do nothing in this demo and restore default signal processor!\n");
(void) signal(SIGINT, SIG_DFL);

} ```

实现原理

信号最原始的作用

信号是很短的消息，可以被发送到一个进程或者一组进程。
使用信号主要是两个目的：

1. 让进程知道已经发生了一个特定的事件
2. 强迫进程收到信号后，执行它自己代码中注册的信号处理程序

依靠信号机制，内核实现了如异常处理、进程状态管理，同时给用户程序提供了使用信号的支持。
所以，信号的作用说起来简单，其实在内核中的实现并不简单，属于内核的重要模块。

信号的分类

1~31为常规信号（regular signal），除了SIGUSR1和SIGUSR2之外，系统都赋予其特殊功能，如总线错误SIGBUS、非法内存访问SIGSEGV，常规信号不具有信号缓存特性，当一个信号在处理过程中，再来一个同样的信号，新来的信号会丢失，不会被缓存到队列。
32~64 为实时信号(real-time signal）,用户可以自定义功能，具有信号缓存特性。

参考

1. WikiPedia: 中断
2. 进程间通信的方式：信号、管道、消息队列、共享内存