异常控制流

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深入理解计算机系统

Unix C C++C#

异常控制流（ECF）
1,这里异常指允许程序进行非本地跳转（违反通常的调用/返回栈规则的跳转）。
2，异常处理完成后，发生三种情况：
（1）执行当前指令Icurr
（2）执行下一条指令Inext
（3）处理程序终止被中断的程序。
3，每种异常＝》惟一的非服整数的异常号。
系统启动时，操作系统分配和初始化一张称为异常表的跳转表，使得表目k包含异常k的处理程序的地址。
异常表的起始地址放在叫做异常表基址寄存器的特殊CPU寄存器里。

4，异常的类别：
（1）中断（interrupt）：来自处理器外部的I/O设备的信号的结果。

（2）陷阱（trap）：有意的异常。最重要的用途：提供用户程序和内核的接口：系统调用。

（3）故障（fault）：由错误情况引起，可能被故障处理程序修正。经典示例：缺页异常。

（4）终止（abort）：不可恢复的致命的错误。

5，进程的经典定义：一个执行的程序的实例。每个程序都运行在某个进程的上下文。
上下文是由程序正确运行所需的状态组成的。
这个状态包括：存放在存储器中的代码和数据，栈，通用目的寄存器的内容，程序计数器，环境变量，打开文件描述符的集合。
进程提供给应用程序的关键抽象：
一个独立的逻辑控制流。
一个私有的地址空间。

6，寄存器的一个模式位：
用户模式：限制一个应用可以执行的指令和可以访问的地址空间范围。
内核模式：可以执行指令集合中的任何指令，访问系统中任何存储器位置。

7，中断也可能引发上下文切换：如周期性定时器中断的机制。（1到10毫秒）
每次定时器中断，内核就判定当前进程已经运行了足够长的时间了，并切换到一个新的进程。

8，子进程得到与父进程用户级虚拟地址空间相同的一份拷贝，包括文本，数据和bss段，堆以及用户栈。
还获得父进程任何打开的文件描述符的拷贝。子进程可以读写父进程打开的任何文件。
注：父进程和子进程是独立的进程，它们每个都有自己的私有地址空间。
9，关于fork的使用：
程序1：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <fcntl.h>
#include <sys/stat.h>
#include <errno.h>
#include <time.h>
#include <sys/wait.h>

void unix_error(char *msg) /* unix-style error */
{
    fprintf(stderr, "%s: %s\n", msg, strerror(errno));
    exit(0);
}

pid_t Fork(void)
{
    pid_t pid;

    if ((pid = fork()) < 0)
        unix_error("Fork error");
    return pid;
}

int main()
{
    pid_t pid;
    int x = 1;

    pid = Fork(); //line:ecf:forkreturn
    if (pid == 0)
    {  /* Child */
        printf("child : x=%d\n", ++x); //line:ecf:childprint
        exit(0);
    }
    /* Parent */
    printf("parent: x=%d\n", --x); //line:ecf:parentprint
    exit(0);
}

输出结果：
parent: x=0
child : x=2

修改下main：

int main()
{
    pid_t pid;
    int x = 1;

    pid = Fork(); //line:ecf:forkreturn
    if (pid == 0)
        printf("child : x=%d\n", ++x); //line:ecf:childprint
    /* Parent */
    printf("parent: x=%d\n", --x); //line:ecf:parentprint
    exit(0);
}

输出结果：
child : x=2
parent: x=1
parent: x=0

(2)

int main()
{
    Fork();
    printf("hello.\n");
    exit(0);
}

输出结果：
hello.
hello

int main()
{
    Fork();
    Fork();
    Fork();
    printf("hello.\n");
    exit(0);
}

输出结果：
hello.
hello.
hello.
hello.
hello.
hello.
hello.
hello.

10，终止了还未被回收的进程称为僵死进程。
waitpid错误条件：
调用进程没有子进程，返回－1，设置errno为ECHILD
waitpid被一个信号中断，返回－1，设置errno为EINTR

11，使用waitpid函数回首僵死子进程。

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/stat.h>
#include <errno.h>
#include <sys/wait.h>
#define N 4
void unix_error(char *msg) /* unix-style error */
{
    fprintf(stderr, "%s: %s\n", msg, strerror(errno));
    exit(0);
}

pid_t Fork(void)
{
    pid_t pid;

    if ((pid = fork()) < 0)
        unix_error("Fork error");
    return pid;
}

int main()
{
    int status,i;
    pid_t pid;
    for (i = 0; i < N; i++)
        if((pid=Fork()) == 0)
            exit(100+i);
    //-1,挂起调用进程的执行 ，直到等待集合中的一个子进程终止。
    while((pid=waitpid(-1, &status, 0)) > 0)
    {
        if(WIFEXITED(status))
            printf("child %d terminated normally with exit status=%d\n",
                pid,WEXITSTATUS(status));
        else
            printf("child %d teminated abnormally\n", pid);
    }
    if(errno != ECHILD)
        unix_error("waitpid error");
    exit(0);
}

按照僵死进程创建的顺序回收。

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/stat.h>
#include <errno.h>
#include <sys/wait.h>
#define N 4
void unix_error(char *msg) /* unix-style error */
{
    fprintf(stderr, "%s: %s\n", msg, strerror(errno));
    exit(0);
}

pid_t Fork(void)
{
    pid_t pid;

    if ((pid = fork()) < 0)
        unix_error("Fork error");
    return pid;
}

int main()
{
    int status,i;
    pid_t pid[N],retpid;
    for (i = 0; i < N; i++)
        if((pid[i]=Fork()) == 0)
            exit(100+i);
    //-1,挂起调用进程的执行 ，直到等待集合中的一个子进程终止。
    i=0;
    while((retpid=waitpid(pid[i++], &status, 0)) > 0)
    {
        if(WIFEXITED(status))
            printf("child %d terminated normally with exit status=%d\n",
                retpid,WEXITSTATUS(status));
        else
            printf("child %d teminated abnormally\n", retpid);
    }
    if(errno != ECHILD)
        unix_error("waitpid error");
    exit(0);
}

12，sleep：将一个进程挂起一段时间。
pause：让函数休眠，直到该进程收到一个信号。
execve（char＊ filename, char* argv[], char* envp[]）：在当前进程的上下文中加载并运行一个新进程。

它会覆盖当前进程的地址空间，但并没有创建一个新进程。有相同的PID，并继承了调用execve函数时打开的所有文件描述符。

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
int main(int argc, char *argv[], char *envp[])
{
	int i;
	printf("Command line arguments:\n");
	for(i=0;argv[i]!=NULL;i++)
		printf("argv[%2d]: %s\n", i, argv[i]);
	printf("\n");
	printf("Environment viriables: \n");
	for(i=0;envp[i]!=NULL;i++)
		printf("envp[%2d]: %s\n", i, envp[i]);
	exit(0);
}

13，发送信号的原因：
（1）内核检测到一个系统事件。
（2）调用kill函数，显式要求内核发送一个信号给目的进程。
14,内核为每个进程在pending位向量维护者待处理信号集合。
而在blocked位向量维护着被阻塞的信号集合。

15，常见信号：
SIGINT：来自键盘的中断（ctrl＋c）
SIGTSTP：来自键盘的暂停信号（ctrl+z）
SIGSTOP：不来自终端的暂停信号。
SIGCHLD：一个子进程暂停或终止。
SIGKILL：杀死进程。
SIGALRM：来自alarm函数的定时器信号
实例代码：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/stat.h>
#include <errno.h>
#include <sys/wait.h>

void unix_error(char *msg) /* unix-style error */
{
    fprintf(stderr, "%s: %s\n", msg, strerror(errno));
    exit(0);
}

pid_t Fork(void)
{
    pid_t pid;

    if ((pid = fork()) < 0)
        unix_error("Fork error");
    return pid;
}

/* $begin kill */
void Kill(pid_t pid, int signum)
{
    int rc;

    if ((rc = kill(pid, signum)) < 0)
	unix_error("Kill error");
}
/* $end kill */

void Pause()
{
    (void)pause();
    return;
}


int main()
{
    pid_t pid;
    if((pid=Fork()) == 0)
    {
        Pause();//挂起，直到收到一个信号
        printf("Never here.\n");
        exit(0);
    }
    Kill(pid, SIGKILL); //传递信号给子进程。
    exit(0);
}

16，unsigned int alarm（unsigned int secs）：安排内核在secs秒内发送一个SIGALRM信号给调用进程。
返回：前一次闹钟剩余的秒数，对它的调用将会取消待处理的闹钟。
以前没有设定闹钟，返回0。

实例代码：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>
#include <ctype.h>
#include <setjmp.h>
#include <signal.h>
#include <sys/time.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/wait.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <sys/mman.h>
#include <errno.h>
#include <math.h>
#include <pthread.h>
#include <semaphore.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netdb.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>

void unix_error(char *msg) /* unix-style error */
{
    fprintf(stderr, "%s: %s\n", msg, strerror(errno));
    exit(0);
}

typedef void handler_t(int);
handler_t *Signal(int signum, handler_t *handler)
{
    struct sigaction action, old_action;

    action.sa_handler = handler;
    sigemptyset(&action.sa_mask); /* block sigs of type being handled */
    action.sa_flags = SA_RESTART; /* restart syscalls if possible */

    if (sigaction(signum, &action, &old_action) < 0)
        unix_error("Signal error");
    return (old_action.sa_handler);
}

unsigned int Alarm(unsigned int seconds)
{
    return alarm(seconds);
}

void handler(int sig)
{
    static int beeps = 0;
    printf("BEEP\n");
    if(++beeps < 5)
        Alarm(1);
    else
    {
        printf("BOOM!\n");
        exit(0);
    }
}

int main()
{
    Signal(SIGALRM, handler);
    Alarm(1);
    while(1)
        ;
    exit(0);
}

17，
typedef void handler_t(int);
handler_t *signal(int signum, handler_t *handler)
三种方法处理信号signum：
如果handler是SIG_IGN,那么忽略类型为signum的信号。
如果handler是SIG_DFL，默认行为。
信号处理程序。

18，非本地跳转。
int setjmp(jmp_buf env);//只调用一次，但返回很多次。
一次是第一次调用setjmp，栈的上下文保存在缓冲区env。
longjmp从env缓冲区中恢复栈的内容，从最近初始化env的setjmp调用返回。

实例代码：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <setjmp.h>

jmp_buf buf;

int error1 = 0;
int error2 = 1;

void bar(void)
{
    if(error2)
        longjmp(buf, 2);
}

void foo(void)
{
    if(error1)
        longjmp(buf, 1);
    bar();
}


int main()
{
    int rc;
    rc = setjmp(buf);
    if (rc == 0)
        foo();
    else if (rc == 1)
        printf("Detected an error1 condition in foo\n");
    else if (rc == 2)
        printf("Detected an error2 condition in foo\n");
    else
        printf("Unknown error condition in foo\n");
    exit(0);
}

非本地跳转的另一个重要应用：使一个信号处理程序转移到一个特殊的代码位置。
而不是返回到被信号到达中断了的指令的位置。

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <setjmp.h>
#include <signal.h>
#include <string.h>
#include <errno.h>

sigjmp_buf buf;

void unix_error(char *msg) /* unix-style error */
{
    fprintf(stderr, "%s: %s\n", msg, strerror(errno));
    exit(0);
}
unsigned int Sleep(unsigned int secs)
{
    unsigned int rc;

    if ((rc = sleep(secs)) < 0)
	unix_error("Sleep error");
    return rc;
}

typedef void handler_t(int);
handler_t *Signal(int signum, handler_t *handler)
{
    struct sigaction action, old_action;

    action.sa_handler = handler;
    sigemptyset(&action.sa_mask); /* block sigs of type being handled */
    action.sa_flags = SA_RESTART; /* restart syscalls if possible */

    if (sigaction(signum, &action, &old_action) < 0)
        unix_error("Signal error");
    return (old_action.sa_handler);
}

void handler(int sig)
{
    //这里的巧妙使用
    siglongjmp(buf, 1);
}

int main()
{
    Signal(SIGINT, handler);
    if(!sigsetjmp(buf, 1))
        printf("starting\n");
    else
        printf("restarting\n");
    while(1)
    {
        Sleep(1);
        printf("processing...\n");
    }
    exit(0);
}