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# 第08章：异常控制流

## [视频解说](https://www.bilibili.com/video/BV1RK4y1R7Kf?p=8)

## 导读

**提示**：本章题目是 “异常控制流 = Exceptional Control Flow”，实际内容是进程，系统调用，异常，信号等，它们与操作系统（以及系统编程）之间都有着密切的联系，后续的几个章节，例如虚拟内存，系统I/O，网络编程等也都与操作系统（以及系统编程）有着密不可分的联系，这就意味着你在学习本章的时候应该顺带着学习操作系统（以及系统编程）相关的术语和基础知识，能够从高层角度理解一些重要概念：Process Management/Scheduling，Memory Management，File System，Interrupts，Device drivers，Networking，IPC  ... 推荐学习Linux操作系统。

![图片来源：佐治亚理工学院，Linux内核编程，Pierre Olivier](/files/-MYxuWsiI-uKTHqXk4lu)

商用操作系统的具体实现一般都比较复杂，比如你可以看看Linux进程管理的 *task\_struct*，很多决策都依赖于这个结构体中的内容，像是调度器（Scheduler ）的实现就相当复杂（注意：不仅仅是操作系统会有调度器，很多控制系统都有，比如基站），需要考虑诸多议题，例如公平（[Fair](https://www.kernel.org/doc/html/latest/scheduler/sched-design-CFS.html)）、优先级（[Nice](https://www.kernel.org/doc/html/latest/scheduler/sched-nice-design.html)）、抢占 (Preemption)、效率（Efficiency）、扩展能力 (scalability，比如从单核到多核，支持NUMA等），在移动设备上甚至还要考虑能效（Energy，比如ARM big.LITTLE，[Tickless ](https://www.kernel.org/doc/html/latest/timers/no_hz.html)Kernel）... 本质上是一个工程问题！

根据业务需求有不同的 pattern 或 trade-off，以Linux为例，我们设计调度器的时候要考虑以下这些问题：

![图片来源：知乎，陈天（https://zhuanlan.zhihu.com/p/33389178）](/files/-MYyFPyKY-j1d0t75UK4)

**操作系统的历史**：类Unix操作系统的发展与演进（参考：[Unix操作系统 - 历史回忆录](https://www.bilibili.com/video/BV1Rp4y1p7en/)）

![图片来源：佐治亚理工学院，Linux内核编程，Pierre Olivier](/files/-MYnxkjYvQlh_isyiNab)

**操作系统（内核）分类**：Monolithic kernel (宏) vs. Micro kernel (微) vs. Hybrid kernel (混) 

视频：[宏内核 vs 微内核 (Monolithic-kernel vs Micro-kernel)](https://www.bilibili.com/video/BV1Yf4y1D7kj/) 

![来源：新南威尔士大学，操作系统进阶课程](/files/-MZAzHWidi-RC8E_ocwM)

历史：[Andrew Tanenbaum教授与Linus Torvalds关于宏内核与微内核的争论邮件](https://www.oreilly.com/openbook/opensources/book/appa.html)

![Andrew S. Tanenbaum教授（Minix作者）关于宏内核和微内核的意见](/files/-MYree9gW7dloQWMuMsz)

**混合内核的例子**：苹果的很多技术来自Steve Jobs于1985 年离开Apple Computer之后创立的 NeXT公司，后者的主力产品就是NeXTSTEP 操作系统，它以CMU Mach为基础，整合了BSD4.3作为uerspace server，后来苹果公司收购了NeXTSTEP ，并将其技术发扬光大，演化成了 XNU (核心) / Darwin (操作系统)，其开源代码请参考：<https://github.com/apple/darwin-xnu>，造就了今天iOS / macOS 所使用的关键技术。

## 学习方式

[CMU教授的视频课程 - Lecture14：异常 & 进程](https://www.bilibili.com/video/BV1a54y1k7YE?p=18)

[CMU教授的视频课程 - Lecture15：信号 & 非局部跳转](https://www.bilibili.com/video/BV1a54y1k7YE?p=19)

**操作系统的书籍**：附录中可以直接下载电子书，如果是自学的话，建议从下图中的第二本书开始学，全名Operating Systems: Three Easy Pieces，简称OSTEP，它是威斯康星大学的研究生教材，分成虚拟化、并发性、持久化，三方面来讲，其实写的很入门，完全能当本科教材或者自学，每一个主题都是从历史沿革来讲，最初什么方法，如何实现的（真的是实际实现），解决了什么问题，有什么缺点，针对这些缺点人们提出了哪些方法来改进。

![操作系统相关的书籍推荐](/files/-MVyB7SZA4-FDif5TDeE)

**提示**：书本总是最后才出现在我们手中的（并且有可能你拿到的时候就已经是过时的了），Linux这样的现代系统是“活着的” 操作系统，比如它需要考虑如何支持 SMP （Symmetric multiprocessing）, 支持虚拟化技术 (Xen 和 KVM)、支持容器化 (Container) 的能力，支持实时性（Real-Time），等等，建议可以前往：<https://www.kernel.org/doc/> 阅读和查找你感兴趣的主题，同时可以关注一些世界级的Linux大会（比如：Linux基金会的官方网站：<https://events.linuxfoundation.org/>，里面汇集了众多开发者大会链接，许多优秀的内核开发者的演讲视频都可以在Youtube上找到，当然都是免费的 ），还可以定期浏览一些很好的新闻网站，比如：<https://lwn.net/>，<https://www.linuxjournal.com/>

世界一流大学的线上课程（尽量选择最新的）也可以拿来参考学习（参见“延伸阅读”部分）

## 重点解读

**程序 vs 进程**

![](/files/-MZBKocmiQDjX2vnGIGm)

**用户空间 vs 内核空间**

<div align="left"><img src="/files/-MYy0n8FoR6dMUVFGMIf" alt="                                         图片来源：佐治亚理工学院，Linux内核编程，Pierre Olivier"></div>

这里给大家举一个例子，假设你的程序会调用getpid()这个系统调用（其中会陷入**中断**/**异常**）：

![System Calls Make the World Go Round](/files/-MZActuIdpLfYOVNWfiO)

**库函数 vs 系统调用**

像是**fork**这样的系统调用（fork没有参数，一切都继承自父进程【懒惰】，更加诡异的是，它返回两次）早在Unix第1版就已经存在，你看： [Unix第1版的手册（第2章：系统调用）](http://man.cat-v.org/unix-1st/) ，这样算下来这个系统调用已经存在长达50年了，最终fork的思想也被 Linux 继承和发扬光大，你知道Linux是怎么实现进程/线程的么？

实际上在Linux中fork()是一个封装了底层**clone**()系统调用的库函数（man 2 fork），你可以使用**ltrace**来追踪库函数调用，使用**strace**命令来追踪系统调用，起码你需要对用户模式和内核模式也要有基本的概念。

<div align="center"><img src="/files/-MYwyn1CUtDRowQxj1Ui" alt="系统调用的时序图（图中假设通过glibc，当然也可以绕过它直接进行系统调用）"></div>

```c
// 你最熟悉的程序
#include <stdio.h>
int main(void) {
    printf("hello, world!\n");
    return 0;
}

// 用gcc编译之后，通过ltrace来追踪库函数调用，strace来追踪系统调用

// 稍微改写一下，让我们更加接近底层一些：man syscall
#define _GNU_SOURCE
#include <unistd.h>
#include <sys/syscall.h>
int main() {
    return syscall(__NR_write, 1, "Hello, world!\n", 14);
}

// 真正的系统调用是sys_xxxx（通过ltrace -S可以看到）

// 感兴趣的同学可以参考Linux内核源码
// https://github.com/torvalds/linux/blob/master/arch/x86/entry/syscall_64.c
// https://github.com/torvalds/linux/blob/master/arch/x86/entry/syscalls/syscall_64.tbl
```

另外，初次接触fork()函数的同学，可能会被“printf”输出多少次的问题弄得比较晕乎，类似的题目：  [\<UNIX环境高级编程> 系列视频课程，进程环境和进程控制](https://edu.51cto.com/center/course/lesson/index?id=248908)：04:02 \~ 07:18，在学习进程和进程创建相关知识后，你应该要能够摸清其中的来龙去脉。

**虚拟系统调用 （Virtual syscall），虚拟动态共享对象（VDSO）**

如果你查看 cat /proc/self/maps，会发现vsyscall，vdso，可能会好奇它们是什么东西。

![](/files/-MZArodSnqjpF8rong6j)

![https://blog.linuxplumbersconf.org/2016/ocw/system/presentations/3711/original/LPC\_vDSO.pdf](/files/-MZAqM9pgIuUG5ygxrrX)

## 延伸阅读

* 印度理工学院：[操作系统导论 (非常好的入门课)](https://www.bilibili.com/video/BV1YN411Q7DA/) -- 有课程的英文逐字稿
* 麻省理工学院：[操作系统导论 6.S081（2020年）](https://pdos.csail.mit.edu/6.828/2020/) -- 视频搬运到B站了（搜6.S081即可）
* 加州伯克利分校：[操作系统与系统编程 CS162](https://cs162.org/) -- 视频搬运到B站了（搜CS162即可）
* 斯坦福大学：[操作系统 CS140](http://web.stanford.edu/~ouster/cgi-bin/cs140-spring20/index.php) -- 没有视频，可以自行下载教学投影片学习
* 浙江大学：[操作系统（2018年秋冬季）](http://malgenomeproject.org/os2018fall/)-- 没有视频，可以自行下载教学投影片学习
* 毕尔肯大学：[操作系统原理 (CS-342) ](https://www.bilibili.com/video/BV1uv4y1f7WC/)
* 本人拙作： 《Unix环境高级编程》视频课程的《进程环境和进程控制》，《信号控制》：[Unix环境高级编程](https://www.bilibili.com/cheese/play/ss14187)