异常控制流与进程上下文切换解析

"本章主要探讨了异常控制流在操作系统中的作用，特别是在Linux环境下的实现。内容涵盖了CPU控制流的概念，进程上下文切换，异常和中断的基本概念以及它们的响应和处理机制。通过学习，旨在让学生理解程序执行的正常控制流与异常控制流之间的区别，了解操作系统与硬件如何协同工作，为深入学习操作系统核心原理奠定基础。" 在计算机系统中，CPU的控制流是指执行指令的顺序，它可以是顺序执行也可以通过跳转指令进行非顺序执行。这两种方式共同构成了程序的正常控制流。例如，在给定的`intsum`函数中，可以看到程序通过循环（jbe指令）和返回（ret指令）来改变控制流。 引入"进程"的概念是操作系统中的一个重要抽象，它为每个应用程序提供了一个独立的逻辑控制流，这样程序员可以认为他们的程序是在独立执行，而实际上，这些进程可能在多任务环境中并行或顺序调度。进程包括其执行状态、内存空间、打开的文件等资源，当进程之间切换时，就需要进行上下文切换。上下文切换涉及到保存当前进程的状态，然后恢复下一个将要执行进程的状态，以保证程序执行的连续性。 进程上下文切换涉及到保存和恢复CPU寄存器、程序计数器（PC）等关键信息，以便进程在不同的时间点能够恢复执行。在IA-32架构的Linux系统中，这个过程由内核来管理，确保了系统的高效运行。 异常和中断是CPU处理外部或内部事件的方式，它们打断了正常控制流，使得CPU能够执行相应的处理程序。中断可能是硬件故障、设备请求，如I/O操作完成，或者软件触发的，如软件中断（INT指令）。异常则通常与程序错误相关，如除零错误、页错误等。一旦发生异常或中断，CPU会停止当前指令的执行，保存现场，然后跳转到预定义的异常处理程序地址开始执行。 异常和中断的响应和处理通常包括中断服务例程的执行，该例程负责处理事件，恢复系统状态，并可能根据需要返回到被中断的程序。在IA-32/Linux环境下，中断描述符表（IDT）用于存储中断和异常处理程序的地址，中断服务程序会根据中断类型和上下文信息采取相应行动。 通过学习这些内容，学生可以更好地理解操作系统如何管理和调度进程，以及如何应对各种异常和中断情况，这是理解和设计操作系统内核的基础。对于操作系统的学习者来说，掌握这些概念和机制至关重要，因为它们是操作系统实现并发、可靠性和性能的核心要素。