简介

异常的放生和捕获是在硬件层面完成的，异常的处理是由软件实现的。计算机会为每一种可能会发生的异常，分配一个异常代码（Exception Number）也可以叫做中断向量（Interrupt Vector）。异常发生的时候，通常是 CPU 检测到了一个特殊的信号。这些信号在组成原理里面，一般叫作发生了一个事件（Event）。CPU 在检测到事件的时候，也就拿到了对应的异常代码。

这些异常代码里，I/O 发出的信号的异常代码，是由操作系统来分配的，也就是由软件来设定的。而像加法溢出这样的异常代码，则是由 CPU 预先分配好的，也就是由硬件来分配的。这是一个软件和硬件共同组合来处理异常的过程。

拿到异常代码之后，CPU 就会触发异常处理的流程。计算机在内存里，会保留一个异常表（Exception Table）也叫中断向量表（Interrupt Vector Table），好和上面的中断向量对应起来。表里存放的是不同的异常代码对应的异常处理程序（Exception Handler）所在的地址。

CPU 在拿到了异常码之后，会先把当前的程序执行的现场，保存到程序栈里面，然后根据异常码查询，找到对应的异常处理程序，最后把后续指令执行的指挥权，交给这个异常处理程序。e8a49f09d1bb50e4d42fccd14d743ad6.webp
这样“检测异常，拿到异常码，再根据异常码进行查表处理”的模式，在日常开发的过程中是很常见的。比如说，Java 里面，我们使用一个线程池去运行调度任务的时候，可以指定一个异常处理程序。对于各个线程在执行任务出现的异常情况，我们是通过异常处理程序进行处理，而不是在实际的任务代码里处理。这样，我们就把业务处理代码就和异常处理代码的流程分开了。

异常的分类

中断（Interrupt）：中断是指计算机在执行期间，系统内发生任何非寻常的或非预期的急需处理事件，使得CPU暂时中断当前正在执行的程序而转去执行相应的事件处理程序，待处理完毕后又返回原来被中断处继续执行或调度新的进程执行的过程。引起中断发生的事件被称为中断源。中断源向 CPU 发出的请求中断处理信号称为中断请求，而 CPU 收到中断请求后转到相应的事件处理程序称为中断响应。

陷阱（Trap）：陷阱，是程序员主动触发的异常。就好像你在程序里面打了一个断点，这个断点就是设下的一个”陷阱”。当程序的指令执行到这个位置的时候，就掉到了这个陷阱当中。然后，对应的异常处理程序就会来处理这个”陷阱”当中的猎物。

最常见的一类陷阱，发生在应用程序调用系统调用的时候，也就是从程序的用户态切换到内核态的时候。应用程序通过系统调用去读取文件、创建进程，通过触发陷阱来进行。这是因为用户态的应用程序没有权限来做这些事情，需要把对应的流程转交给有权限的异常处理程序来进行。

故障（Fault）：它和陷阱的区别在于，陷阱是我们开发程序的时候刻意触发的异常，而故障通常不是。故障和陷阱、中断的一个重要区别是，故障在异常程序处理完成之后，仍然回来处理当前的指令，而不是去执行程序中的下一条指令。因为当前的指令因为故障的原因并没有成功执行完成（比如缺页中断）。

中止（Abort）：与其说这是一种异常类型，不如说这是故障的一种特殊情况。当 CPU 遇到了故障，但是恢复不过来的时候，程序就不得不中止了。da0117e669ebd2bd06c19beaf12d0da8.webp
这里的异步是指：中断异常的信号来自系统外部，而不是在程序自己执行的过程中；同步是指：是在程序执行的过程中发生的。

异常的处理

异常处理程序与函数调用类似，因为切换到异常处理程序的时候，其实就好像是去调用一个异常处理函数。指令的控制权被切换到了另外一个”函数”里面，所以我们自然要把当前正在执行的指令去压栈。这样，我们才能在异常处理程序执行完成之后，重新回到当前的指令继续往下执行。

这里有以下几点与函数调用有所差别：

第一点，因为异常情况往往发生在程序正常执行的预期之外，比如中断、故障发生的时候。所以，除了本来程序压栈要做的事情之外，我们还需要把 CPU 内当前运行程序用到的所有寄存器，都放到栈里面。

第二点，像陷阱这样的异常，涉及程序指令在用户态和内核态之间的切换。对应压栈的时候，对应的数据是压到内核栈里，而不是程序栈里。

第三点，像故障这样的异常，在异常处理程序执行完成之后。从栈里返回出来，继续执行的不是顺序的下一条指令，而是故障发生的当前指令。因为当前指令因为故障没有正常执行成功，必须重新去执行一次。

所以，对于异常这样的处理流程，不像是顺序执行的指令间的函数调用关系。而是更像两个不同的独立进程之间在 CPU 层面的切换，所以这个过程我们称之为上下文切换（Context Switch）。

软中断与硬中断

硬中断：

  1. 硬中断是由硬件产生的，比如，像磁盘，网卡，键盘，时钟等。每个设备或设备集都有它自己的 IRQ（中断请求）。基于 IRQ，CPU 可以将相应的请求分发到对应的硬件驱动上（注：硬件驱动通常是内核中的一个子程序，而不是一个独立的进程）。

  2. 处理中断的驱动是需要运行在 CPU 上的，因此，当中断产生的时候，CPU 会中断当前正在运行的任务，来处理中断。

  3. 硬中断可以直接中断 CPU。它会引起内核中相关的代码被触发。对于那些需要花费一些时间去处理的进程，中断代码本身也可以被其他的硬中断中断。

  4. 对于时钟中断，内核调度代码会将当前正在运行的进程挂起，从而让其他的进程来运行。它的存在是为了让调度代码（或称为调度器）可以调度多任务。

软中断：

  1. 软中断的处理非常像硬中断。然而，它们仅仅是由当前正在运行的进程所产生的。

2.通常，软中断是一些对 I/O 的请求。这些请求会调用内核中可以调度 I/O 发生的程序。对于某些设备，I/O 请求需要被立即处理，而磁盘 I/O 请求通常可以排队并且可以稍后处理。根据 I/O 模型的不同，进程或许会被挂起直到 I/O 完成，此时内核调度器就会选择另一个进程去运行。

  1. 软中断仅与内核相联系。而内核主要负责对需要运行的任何其他的进程进行调度。

  2. 软中断并不会直接中断 CPU。也只有当前正在运行的代码（或进程）才会产生软中断。这种中断是一种需要内核为正在运行的进程去做一些事情（通常为 I/O）的请求。

硬中断和软中断的区别

  1. 软中断是执行中断指令产生的，而硬中断是由外设引发的。

  2. 硬中断的中断号是由中断控制器提供的，软中断的中断号由指令直接指出，无需使用中断控制器。

  3. 硬中断是可屏蔽的，软中断不可屏蔽。

  4. 硬中断处理程序要确保它能快速地完成任务，这样程序执行时才不会等待较长时间，称为上半部。

  5. 软中断处理硬中断未完成的工作，是一种推后执行的机制，属于下半部。