深入理解计算机系统

一 为什么需要知道异常控制流

1. 异常控制流发生在程序执行的各个阶段
2. 异常控制流使程序更加简洁和优雅，而且它为程序并行执行提供了条件
3. 了解异常控制流机制对了解计算机程序的执行原理有帮助

二 知道了异常控制流能干什么

1. 了解计算机程序执行原理
2. 设计更优雅的程序

三 什么是异常控制流

1. 两个小定义

• 异常控制流是用户程序和系统程序交互的基础
• 计算机系统供一种用户级的异常控制流，让开发者可以在代码的异常逻辑里面，无需解开嵌套多层的调用栈，直接跳转到异常处理的代码里面

2. 异常控制流是用户程序和系统程序交互&软硬件交互的基础

要说明这点，先要说一下什么是用户程序，什么是系统程序。

为了限制用户程序的权限，和将一些系统操作抽象出来，计算机系统将一些高等操作称为系统程序，如申请内存，读取内存信息到寄存器／读取磁盘信息到内存，从一个外部设备读取信息到磁盘，等。

同时这样分离还有一个好处，就是提高系统的吞吐率。众所周知，cpu寄存器-一级缓存-二级缓存-内存-磁盘-网络存储设备，越往后读取的速度越慢，而让cpu盲目的等待IO的数据到位，然后再执行后续的程序，是极其浪费cpu计算资源的。而另一方面，由于计算机系统的多进程特性，一个用户程序在一个进程调用系统程序，进行耗时的IO时，完全可以对这个进程进行挂起，让cpu资源去处理其他进程的逻辑，待IO完毕，给挂起的程序一个通知，让挂起的程序继续进行IO后的逻辑。

这种通知进程的行为，就是异常，而这个通知，就是后面要讲到的信号。

计算机系统的异常有4种：中断,陷阱,故障,终止

• 中断

  中断通常发生在用户程序和硬件交互。中断的过程是异步的，即发生中断时用户程序被挂起（被中断了），待硬件返回后，用户程序继续发生中断代码后续的命令。

• 陷阱

  陷阱和中断类似，只不过陷阱是同步的。陷阱像是一种故意的异常，发生在软件程序上的调用，如用户程序向系统程序申请fock一个子进程，或者执行另外一个程序。所以实现系统程序的封装和系统程序和用户程序的隔离，接口化，使用的也是陷阱这种异常。

• 故障

  故障是由于错误引起的。故障发生时，程序的控制转移到故障处理程序，待故障处理程序逻辑结束后，程序计数器会尝试回到故障出现的行命令。一个典型的故障就是内存缺页故障。当程序读取内存的某一个虚拟地址，发现读取的内存页面不在内存里面，于是引起缺页故障，处理程序将数据从磁盘读取到内存对应的页面，故障处理结束，程序再次回到读取内存页面的那行，这时候，读取的代码再次执行，就可以正常运行了。

• 终止

  终止发生在程序出现致命错误的时候，系统在执行完故障处理程序后，会停止该程序。如：内存损坏时。

3. 信号

信号有很多种类型，系统给不同的信号定义了不同的意义，其中也保留了用户可以自定义的信号

(图出自<<Computer Systems Third edition»)

比如在当前进程按下ctrl+c..实际上就是键盘通过操作系统给当前进程发送了一个2信号

4. 除了系统程序可以给用户程序发送信号，用户程序也可以给用户程序发送信号

通过kill命令，传入信号和进程id，可以给进程发送一个信号。常见的nginx通过kill命令重启nginx，平滑重新加载配置，就是用了这个特性。

在程序逻辑里，可以调用c的kill函数给进程id传入信号。如果进程id大于0，向进程id发送信号；如果进程id为0，则为自己和自己所在的进程组每个进程发送信号；如果进程id小于0，则为进程id的绝对值以及进程id绝对值所在的进程组所有的进程都发送信号。

(图出自<<Computer Systems Third edition»)

在程序逻辑里面，用户也可以注册信号的handler函数，当进程被传入信号时，程序控制就会交给handler函数。处理完后，控制交还给故障发生时的后一句命令，程序继续执行。

(图出自<<Computer Systems Third edition»)

5. 计算机系统的用户级异常控制流

c语言提供setjump和longjump方法。setjmp方法保存当前进程的运行状态（包括程序计数器,栈指针和通用目的寄存器)，而longjmp根据之前保存的状态还原程序执行的状态，继续执行setjmp处后面的逻辑。

高级语言的异常捕捉trycatch，或者说php的yield，实际上是setjmp longjmp的封装：在catch处setjmp，然后执行try里面的代码段，throw时调用longjmp。

四 小结

1. 异常控制流不止发生在我们理解的异常时，而是发生在用户程序运行的各个阶段
2. 异常控制流通过信号辨别异常的类型
3. 不止系统程序可以给用户程序发送信号，用户程序也可以
4. 计算机系统提供一种用户级的异常控制流，供开发者进行代码跳转

一. 信息在计算机里面的存储

无论是保存在硬盘里面作永久储存,还是保存在内存/寄存器里面作为计算的临时储存,信息在计算机里面需要一个表示方法,或者叫做保存方法.

首先,可以先来看一下c语言都有哪些信息的类型,或者说我们编程时候都用到哪些信息类型:

• 布尔型,表示是与否
• 整型,表示整数
• 浮点型,表示小数
• 字符串,表示一系列字符的集合
• 数组,一系列上述类型的集合
• 对象,一系列上述类型的索引集合

其中,布尔型可以用简单的 整型0&整型1 表示,就不单独说明.

由于一些基本的概念,比如字符串用ASCII码/UTF-8编码表示,整型根据不同的长度有,是否有符号,会有不同的范围,下面只挑选不同信息类型(或者叫数据类型)的值得提一下的点作说明.

• 整型:

整型无符号形式不用多说,而有符号的表示形式除了简单的使用最高位作为符号位(1000 0001 表示-1),还有两种表现形式:补码表示和反码表示.

实际上,补码相对于原码和反码,对于计算机的计算是更优化的.大多数现代计算机都用补码表示有符号数.

补码中, 如 1000 0001,将最高有效位解释成负权,而后, 所以 1000 1111 = **-**2^7 **+**2^3 **+**2^2 **+**2^1 **+**2^0 = -113

而反码就与补码类似,不过补码的负权为 - 2 ^(w-1), 反码的负权为 -2^(w-1) - 1, 其中w为整型长度

补码相比反码和原码(即最高位表示符号位的形式)的差别在于:

1. 补码的0000 0000表示0,没有-0表示,而反码和原码都存在一个-0表示 (反码为1111 1111, 原码为 1000 0000)

2. 补码的加减乘除运算,都等价于将补码转换为无符号数的加减乘除,再转换回补码,而反码和原码都要先作相应的转换.(至于为什么反码和补码不能直接运算,可以参考这个文章: 原码, 反码, 补码 详解)

• 浮点型

书中介绍了一种浮点型表示的标准: IEEE浮点表示.

IEEE浮点表示用是三部分来表示一个浮点数: 符号位,尾数,阶码

其中,符号位s直接编码正负; 尾数和阶码编码浮点数的两部分值得: 指数E和小数M…浮点数V可以表示为: V = (-1)^s * M * 2^E