Linux异常控制流：信号与非本地跳转解析

"CMU CSAPP的中文翻译，章节8 - 异常控制流II，主要探讨了信号和非本地跳转在计算机系统中的应用，包括操作系统、进程上下文切换、硬件定时器、内核程序以及应用程序层面的异常处理。本PPT详细介绍了这些概念，并以Linux进程体系为例进行了阐述。" 在计算机科学中，异常控制流是指程序执行过程中由于外部或内部事件导致的非预期流程转移。这一章主要关注两个关键主题：信号和非本地跳转，它们都是操作系统和应用程序中处理异常情况的重要机制。 **信号（Signals）** 信号是一种异步通信方式，允许操作系统或一个进程通知另一个进程发生了某些事件，如错误、资源限制或者特定用户请求。在Unix和类Unix系统中，如Linux，信号是进程间通信的基础组件。信号可以用来终止进程、挂起进程、继续挂起的进程、改变进程的行为等。例如，SIGINT信号通常用于响应用户发送的中断请求（通常是Ctrl+C），而SIGSEGV信号则用于通知进程发生了无效的内存访问。 **非本地跳转（Non-local Jumps）** 非本地跳转是程序在不同堆栈帧之间进行跳转的能力，通常与异常处理、递归函数和长跳转有关。它允许程序在捕获到异常时恢复到引发异常的点，或者在函数调用链中任意处改变执行路径。C++中的`setjmp`和`longjmp`函数就是实现非本地跳转的典型例子。非本地跳转在错误处理、异常处理和复杂的控制流中扮演重要角色。 **Linux进程体系** 在Linux系统中，进程通过进程树的形式组织，其中`init`进程（PID为1）是所有进程的起点。登录shell启动后，它可以创建子进程，这些子进程又可以进一步创建孙子进程。例如，HTTP服务器（如httpd）通常作为守护进程（daemon）运行，独立于用户会话。通过`pstree`命令，用户可以查看当前系统的进程树结构，清晰地看到进程间的父子关系。 **进程上下文切换（Process Context Switch）** 当操作系统决定将CPU时间片分配给其他进程时，就会发生进程上下文切换。这涉及到保存当前进程的状态，包括寄存器值、内存映射等，然后恢复下一个进程的状态。上下文切换是操作系统调度的基础，但也是有开销的，频繁的上下文切换可能导致性能下降。 **硬件定时器和内核程序** 硬件定时器是计算机系统中不可或缺的部分，它们定期触发中断，促使操作系统执行任务，如检查是否需要进程上下文切换、更新系统时间、或者处理实时任务。内核程序则是在这些中断处理过程中执行的代码，它们负责响应硬件事件并维护系统的稳定运行。 本章深入讨论了异常控制流的不同方面，对于理解和调试涉及这些概念的程序至关重要。通过学习这些知识，程序员能够更好地处理程序中的异常情况，设计出更健壮和安全的软件系统。