正文

异常(Exception)的处理过程

异常与中断不同，异常也是因为某个特定的指令触发了异常事件，比如除0操作。他也会有一个异常的ID，然后OS会根据这个ID保存现场（当前执行进度、这条指令地址、当前寄存器的内容等）。保存之后操作系统会根据ID进行相应处理，分为两种：

退出执行（杀死）或者重新执行[OS认为这个程序的异常原因是因为OS的服务不到位，OS会进行一定的弥补工作，然后根据刚才异常产生的现场进行恢复，让应用程序重新执行。由于OS已经将把他产生异常的原因补完，所以就不会再次产生异常，这个过程和中断相同，对应用程序是透明的。APP感受不到某条特殊指令会产生异常。

系统调用System Call

来源于APP，需要OS提供服务，而这些服务APP不能直接执行，需要OS来执行。这些过程需要一些接口，这些接口我们称为系统调用接口。有这些接口，OS就能给我们提供各种服务。

Ex)

……………………
printf("Helloworld!");
……………………

这条指令是打印一串字符串。这条指令最终会触发一个write（）系统指令。write系统调用会带一些参数，这些参数包含了要让哪个设备来显示这个字符串以及字符串的内容。很明显操作系统在获取这个参数后会访问对应的设备，比如这里就是我们的屏幕。着整个过程是操作系统完成的而不是应用程序完成的，应用程序只能发出请求。当OS完成这个请求，它会返回一个成功或者失败让APP知道，然后APP进行后续的执行工作。

上图中的右子图是一个通用接口，通过这个借口，APP可以完成各种各样的功能，对整个计算机系统进行间接的管理和控制。

为了方便应用程序能够使用OS的系统调用接口，产生了很多定义好的API。

详见下图

POSIX：通用可移植的标准。遵循这个标准的OS，同一个程序可以跨平台执行。

JAVA API：不是系统调用，那些API只是Java虚拟机提供的支持，是由库来实现的。最终还是根据环境不同（WIN/LINUX环境）应用其他API来实现OS功能。

系统调用的实现

对于应用程序(APP），它只需要知道这个系统调用能提供什么样的功能，他的接口是什么，参数是怎么定义的就可以了。但是从操作系统的角度来说。

英文原图：

APP会直接或者间接通过库（Library）来访问系统调用的接口，一旦访问API。会触发一个从用户态到内核态的转变。

用户态：应用程序 执行过程中，CPU处于一个特权级的状态。他的特权级非常低，不能够直接访问某些特殊的机器指令和直接访问IO。

内核态：OS运行过程中CPU所处于的一个状态，这个状态下OS可以执行任何一种指令，这使得安全性得到保障。

System Call Interface阶段：当我们应用程序调用一个系统调用时，完成一个用户态到内核态的装换，控制权从APP转到OS。

那么OS可以对应用程序发出的这些系统调用的参数(ID)做出标识，作出标识后，就可以对这个系统调用进行识别和完成具体的服务。

函数调用和系统调用的区别

当应用程序发出函数调用，其实是在一个栈空间完成的参数的传递和返回。

但是系统调用的执行过程中，我们的应用程序和操作系统拥有各自的堆栈，当APP发出系统调用之后，当他切换到内核里执行的时候，需要切换堆栈同时也需要完成特权级的转换 （用户态到内核态）。这些转换都会需要一定的开销，也就意味着当系统调用时，开销会比函数调用大很多。

开销

由图可知，三种操作都跨越了APP和OS和外设的边界，跨越边界都有一定的代价。跨越边界是为了更加安全、可靠地执行各种上级程序。

映射关系的开销

表：

为了让中断/异常/系统调用进行处理，首先要有一个对应的映射关系。（对应的系统调用号、中断号对应的哪一个服务历程，这个表要在能够让他正常工作之前就建好。OS初始环节就需要把这个表做好）

内核堆栈的开销

操作系统有自己的堆栈，不能和程序堆栈混淆。这样维护堆栈的开销也是必须的。（退出时保存堆栈，执行时堆栈恢复等）。同理，APP的执行到内核里执行时，需要保存APP的堆栈信息，当内核操作完成后，返回到APP又需要用到APP的堆栈信息。

验证参数的开销

操作系统不信任我们的应用程序，他会认为APP会有恶意程序的存在。所以OS在运行APP之前会进行一个安全检查，这个检查当然也会有开销。

内核态映射到用户态的开销

操作系统处理完某些数据后，会把这些数据从内核态拷贝到用户态，这个过程会有新的开销。不像应用程序内指针传递那样简单，他必须要把内核空间的数据拷贝到用户空间。

内核态的独立地址空间的开销

随着应用程序执行，有可能会引起内存状态的改变（后续课程详解）。比如页机制的转变，关于CPU的Cache（闪存）和TLB有可能会被刷新。这个刷新过程会导致额外的开销。

关于Cache和TLB相关内容请参考CSA（计算机组成原理对应章节）

小结：

这些都因为执行中断、异常、系统调用过程中可能会带来的开销，但是这些开销是必须的，有这些开销的存在才能保证OS在安全可靠的环境下运行。