例外 (Exceptions)

Overview Table

例外控制流 (Exceptional Control Flow, ECF) 總覽 (p.758-759)

處理器從開機到關機,PC 依序取值 $a_0,a_1,\dots ,a_{n-1}$,每個 $a_k$ 是指令 $I_k$ 的位址;從 $a_k$ 到 $a_{k+1}$ 的轉移稱為 control transfer,其序列即 control flow。平滑的 flow 中 $I_k$ 與 $I_{k+1}$ 在記憶體相鄰;jump/call/return 造成的跳躍是為了反應「程式內部狀態」(程式變數)。但系統還必須反應與程式變數無關的系統狀態變化(timer 到期、封包抵達、磁碟資料就緒、子行程終止),這類突然的控制流改變統稱 exceptional control flow (ECF)。

ECF 存在於系統的每一層:

• 硬體層:硬體偵測到 event → 跳到 exception handler。
• OS 層:kernel 以 context switch 在 process 間轉移控制權(見 08-Exceptional-Control-Flow/02-Processes-and-Context-Switches)。
• 應用層:process 對 process 送 signal、程式內部以 nonlocal jump(setjmp/longjmp)跳脫 call/return stack discipline。

理解 ECF 的五個理由 (p.758-759):理解 OS 如何實作 I/O、process、virtual memory;理解應用程式如何透過 trap / system call 向 OS 要求服務;能寫 shell、Web server 等程式;是理解 concurrency 的第一步;理解 C++/Java 軟體例外(try/catch/throw)的底層原理。

例外的解剖 (Anatomy of an Exception) (p.759-760)

Exception = 對 processor state 中某個變化(event)的回應而發生的控制流突然改變。state 編碼在處理器內部的位元與訊號中。event 可能與當前指令直接相關(page fault、算術溢位、除以零),也可能無關(system timer 到期、I/O 完成)。

  Application program              Exception handler
  ───────────────────              ─────────────────
        │
  Event │  I_curr ── Exception ──────►┐
 occurs │  I_next ◄──────┐            │ Exception
  here  │                │            │ processing
        │        Exception return ────┘
        ▼        (optional:回 I_curr / 回 I_next / abort)

處理器偵測到 event 後,透過稱為 exception table 的 jump table 做一次間接程序呼叫(即 exception),進入 OS 的 exception handler。handler 處理完後三選一:

1. 把控制權還給 I_curr(event 發生時正在執行的指令)。
2. 把控制權還給 I_next(若無例外本來要執行的下一條指令)。
3. abort 被中斷的程式。

8.1.1 Exception Handling (p.760-762)

例外處理是硬體與軟體的緊密分工。每種例外被指派唯一的非負整數 exception number:一部分由處理器設計者指定(divide by zero、page fault、memory access violation、breakpoint、arithmetic overflow),另一部分由 OS kernel 設計者指定(system call、外部 I/O 裝置 signal)。

• 開機時 (boot time):OS 配置並初始化 exception table,entry k 存放 exception k 的 handler 位址。
• 執行時 (run time):處理器偵測 event、判定 exception number k,透過 exception table entry k 做間接程序呼叫進入 handler。

                Exception number k
                     (× 8)
                       │           Exception table
                       ▼           ┌──────────────┐
 Exception table ──►( + )────────► │ 0: handler 0 │──► Code for handler 0
  base register                    │ 1: handler 1 │──► Code for handler 1
 (special CPU reg)                 │ 2: handler 2 │──► Code for handler 2
                                   │      ...     │
                                   │ n-1          │──► Code for handler n-1
                                   └──────────────┘

Handler 位址 = exception table base register + k × 8(exception number 為表的索引;表的起始位址存在特殊 CPU 暫存器 exception table base register)。

例外 vs. 一般程序呼叫 (p.761-762)

硬體觸發例外之後,其餘工作由軟體(exception handler)完成。handler 處理完 event 後,可選擇性執行特殊的「return from interrupt」指令返回:把狀態 pop 回處理器的控制與資料暫存器、若中斷的是 user program 則恢復 user mode,再把控制權交還被中斷的程式。

8.1.2 Classes of Exceptions(四大類)(p.762-764)

Interrupts (p.762-763)

I/O 裝置(網卡、磁碟控制器、timer chip)藉由拉高處理器晶片上的 interrupt pin 並把識別裝置的 exception number 放上 system bus 來觸發中斷。其 handler 常稱 interrupt handler。

 (1) Interrupt pin goes high      (2) Control passes to handler
     during I_curr                    after I_curr FINISHES
        I_curr ─────────────────────────►┐
        I_next ◄────────┐                │ (3) Interrupt
                        │                │     handler runs
          (4) Handler returns ───────────┘
              to I_next

• 處理器等當前指令執行完才察覺 pin 拉高、從 system bus 讀取 exception number、呼叫對應 handler。
• Handler 返回 I_next,效果是程式彷彿中斷從未發生。

Traps 與 System Calls (p.763-764)

Trap 是蓄意的例外——執行某指令的預期結果;handler 一律返回 I_next。最重要的用途:在 user program 與 kernel 之間提供類似程序呼叫的介面,即 system call。user program 需要 kernel 服務時(讀檔 read、建立 process fork、載入程式 execve、終止 process exit),執行處理器提供的特殊指令 syscall n 要求服務 n;trap 進入 handler,由 handler 解碼參數並呼叫適當的 kernel routine。

 (1) Application makes a        (2) Control passes to handler
     system call
        syscall ─────────────────────────►┐
        I_next ◄────────┐                 │ (3) Trap
                        │                 │     handler runs
          (4) Handler returns ────────────┘
              to I_next (instruction following the syscall)

從程式設計師觀點,system call 與一般函式呼叫看起來相同,但實作大不同:

Faults (p.764)

Fault 源自 handler 可能修正的錯誤條件。handler 若能修正錯誤 → 返回 faulting instruction 重新執行;若不能 → 返回 kernel 的 abort routine 終止造成 fault 的程式。

 (1) I_curr causes a fault      (2) Control passes to handler
        I_curr ─────────────────────────►┐
          ▲                              │ (3) Fault
          │                              │     handler runs ──► abort
          └── (4) Handler re-executes ───┘        (若無法修正)
              current instruction (I_curr)

經典例子:page fault——指令參照的 virtual address 對應的 page(典型 4 KB 的連續 virtual memory 區塊)不在記憶體,須自磁碟載入。page fault handler 載入該頁後返回 faulting instruction;重新執行時該頁已在記憶體,指令得以完成而不再 fault(詳見 09-Virtual-Memory/01-Address-Spaces-and-VM-Caching)。

Aborts (p.764)

Abort 源自不可恢復的致命錯誤,典型如 DRAM/SRAM 位元損毀造成的 parity error 等硬體錯誤。abort handler 永不把控制權還給應用程式,而是轉給 kernel 的 abort routine 終止該程式。

 (1) Fatal hardware error       (2) Control passes to handler
        I_curr ─────────────────────────►┐
                                         │ (3) Abort handler runs
                                         │
          (4) Handler returns ───────────┴──► abort routine
              to abort routine                (terminates program)

8.1.3 Exceptions in Linux/x86-64 Systems (p.765-767)

x86-64 最多 256 種例外類型:

• 編號 0-31:由 Intel 架構師定義,所有 x86-64 系統相同。
• 編號 32-255:由 OS 定義的 interrupts 與 traps。

Linux/x86-64 Faults 與 Aborts (p.765)

• Divide error(#0):除以零、或除法結果對目的運算元太大。Unix 不嘗試恢復,直接 abort;shell 通常回報 "Floating exception"。
• General protection fault(#13):成因很多,通常是參照未定義的 virtual memory 區域或寫入 read-only text segment。Linux 不嘗試恢復;shell 回報 "Segmentation fault"。
• Page fault(#14):會重啟 faulting instruction 的例外;handler 把磁碟上的 virtual memory page 映射進 physical memory 後重啟該指令。
• Machine check(#18):執行 faulting instruction 期間偵測到的致命硬體錯誤;handler 永不返回應用程式。

Linux/x86-64 System Calls (p.765-767)

Linux 提供數百個 system call,每個有唯一整數編號,對應 kernel 中另一張 jump table 的 offset(此表不是 exception table)。常見範例 (Figure 8.10):

C 程式可用 syscall 函式直接呼叫任何 system call,但實務上很少需要:C 標準函式庫為多數 system call 提供 wrapper functions(打包參數 → 以適當指令 trap 進 kernel → 回傳狀態給呼叫者)。本書把 system call 與其 wrapper 統稱 system-level functions。

x86-64 syscall 指令的暫存器慣例 (p.766):

• 所有參數走 general-purpose registers,不走 stack。
• %rax = system call 編號;最多六個參數依序放 %rdi, %rsi, %rdx, %r10, %r8, %r9。
• 返回時 %rcx 與 %r11 被破壞 (destroyed);%rax 存回傳值。
• 回傳值介於 -4,095 到 -1 之間表示錯誤,對應 -errno。

範例:用 write system-level function 取代 printf 的 hello (p.766):

int main()
{
    write(1, "hello, world\n", 13);  /* arg1: stdout; arg2: 位元組序列; arg3: 位元組數 */
    _exit(0);
}

直接以 syscall 指令實作 (Figure 8.11, code/ecf/hello-asm64.sa):

.section .data
string:
  .ascii "hello, world\n"
string_end:
  .equ len, string_end - string
.section .text
.globl main
main:
  # First, call write(1, "hello, world\n", 13)
  movq $1, %rax        # write is system call 1
  movq $1, %rdi        # Arg1: stdout has descriptor 1
  movq $string, %rsi   # Arg2: hello world string
  movq $len, %rdx      # Arg3: string length
  syscall              # Make the system call
  # Next, call _exit(0)
  movq $60, %rax       # _exit is system call 60
  movq $0, %rdi        # Arg1: exit status is 0
  syscall              # Make the system call

Exam/Test Patterns

Related Notes

• 08-Exceptional-Control-Flow/02-Processes-and-Context-Switches — exception 是 kernel 提供 process 抽象與 context switch 的基石;user/kernel mode 詳見 8.2.4
• 08-Exceptional-Control-Flow/04-Process-Control — fork/execve/wait4 等 system call 的程式設計介面
• 08-Exceptional-Control-Flow/05-Signals — 應用層 ECF:signal 建立在 OS-defined 例外與 kernel 遞送機制之上
• 09-Virtual-Memory/01-Address-Spaces-and-VM-Caching — page fault 的完整機制(VM paging)
• 03-Machine-Level-Programs/04-Procedures-and-the-Stack — 一般 procedure call 慣例,與 exception/syscall 慣例對照
• 10-System-IO/01-Unix-IO-and-Files — read/write/open/close 等 system-level functions 的使用