异常定义

异常（Exception）其实是一个硬件和软件组合到一起的处理过程。异常的前半生，也就是异常的发生和捕捉，是在硬件层面完成的。但是异常的后半生，也就是说，异常的处理，其实是由软件来完成的。

计算机会为每一种可能会发生的异常，分配一个异常代码（Exception Number），或叫作中断向量（Interrupt Vector）。异常发生的时候，通常是 CPU 检测到了一个特殊的信号。比如，你按下键盘上的按键，输入设备就会给 CPU 发一个信号。或者，正在执行的指令发生了加法溢出，同样，我们可以有一个进位溢出的信号。这些信号呢，在组成原理里面，我们一般叫作发生了一个事件（Event）。CPU 在检测到事件的时候，其实也就拿到了对应的异常代码。

这些异常代码里，I/O 发出的信号的异常代码，是由操作系统来分配的，也就是由软件来设定的。而像加法溢出这样的异常代码，则是由 CPU 预先分配好的，也就是由硬件来分配的。这又是另一个软件和硬件共同组合来处理异常的过程。

拿到异常代码之后，CPU 就会触发异常处理的流程。计算机在内存里，会保留一个异常表（Exception Table）。也有把这个表叫作中断向量表（Interrupt Vector Table），好和上面的中断向量对应起来。异常表中存放的是不同的异常代码对应的异常处理程序（Exception Handler）所在的地址。

CPU 在拿到了异常码之后，会先把当前的程序执行的现场，保存到程序栈里面，然后根据异常码查询，找到对应的异常处理程序，最后把后续指令执行的指挥权，交给这个异常处理程序。异常处理程序执行完毕后，再返回正常指令位置，同时恢复现场，继续执行后续指令。一个示意图如下图所示：

异常分类

中断（Interrupt）：顾名思义，程序在执行过程中，被打断了。这个打断执行的事件，来自于CPU外部的I/O设备。比如在键盘上按下一个键，就会触发一个中断类型的中断。
陷阱（Trap）：是程序员“故意”主动触发的异常。比如在程序上打断点，再比如应用程序调用系统调用时，从用户态切换到内核态，就是通过触发陷阱异常，去执行用户态没有权限，但异常处理程序有相应的系统权限的事情。
故障（Fault）：并不是开发程序时可以触发的，而是一种非计划内的错误情况。比如加法计算时的溢出。故障的一个重要特征就是，故障在异常程序处理完成之后，仍然回来处理当前的指令，而不是去执行程序中的下一条指令。因为当前的指令因为故障的原因并没有成功执行完成。
中止（Abort）：可以认为是故障的一种特殊情况。即没有对应的异常处理程序可以处理这种异常，程序不得不进入中止状态，是一种无法恢复的故障。

在这四种异常里，中断异常的信号来自系统外部，而不是在程序自己执行的过程中，所以称之为异步类型的异常。而陷阱、故障以及中止类型的异常，是在程序执行的过程中发生的，所以称之为同步类型的异常。

异常处理：上下文切换

与函数调用类似，我们在异常发生后，切换到执行异常处理程序之前，需要做保存现场的操作。以便异常返回时恢复现场。但比起函数调用，这个操作要更复杂一些：

首先，因为异常情况往往发生在程序正常执行的预期之外，比如中断、故障发生的时候。所以，除了本来程序压栈要做的事情之外，我们还需要把 CPU 内当前运行程序用到的所有寄存器，都放到栈里面。最典型的就是条件码寄存器里面的内容。
其次，像陷阱这样的异常，涉及程序指令在用户态和内核态之间的切换。对应压栈的时候，对应的数据是压到内核栈里，而不是程序栈里。
最后，像故障这样的异常，在异常处理程序执行完成之后。从栈里返回出来，继续执行的不是顺序的下一条指令，而是故障发生的当前指令。因为当前指令因为故障没有正常执行成功，必须重新去执行一次。

所以，对于异常的处理流程，不像是顺序执行的指令间的函数调用关系。而是更像两个不同的独立进程之间在CPU层面的切换，所以这个过程我们称之为上下文切换（Context Switch）。