28 异常和中断：程序出错了怎么办？

过去这么多讲，我们的程序都是自动运行且正常运行的。自动运行的意思是说，我们的程序和指令都是一条条顺序执行，你不需要通过键盘或者网络给这个程序任何输入。正常运行是说，我们的程序都是能够正常执行下去的，没有遇到计算溢出之类的程序错误。

不过，现实的软件世界可没有这么简单。一方面，程序不仅是简单的执行指令，更多的还需要和外部的输入输出打交道。另一方面，程序在执行过程中，还会遇到各种异常情况，比如除以0、溢出，甚至我们自己也可以让程序抛出异常。

那这一讲，我就带你来看看，如果遇到这些情况，计算机是怎么运转的，也就是说，计算机究竟是如何处理异常的。

异常：硬件、系统和应用的组合拳

一提到计算机当中的异常（Exception），可能你的第一反应就是C++或者Java中的Exception。不过我们今天讲的，并不是这些软件开发过程中遇到的“软件异常”，而是和硬件、系统相关的“硬件异常”。

当然，“软件异常”和“硬件异常”并不是实际业界使用的专有名词，只是我为了方便给你说明，和C++、Java中软件抛出的Exception进行的人为区分，你明白这个意思就好。

尽管，这里我把这些硬件和系统相关的异常，叫作“硬件异常”。但是，实际上，这些异常，既有来自硬件的，也有来自软件层面的。

比如，我们在硬件层面，当加法器进行两个数相加的时候，会遇到算术溢出；或者，你在玩游戏的时候，按下键盘发送了一个信号给到CPU，CPU要去执行一个现有流程之外的指令，这也是一个“异常”。

同样，来自软件层面的，比如我们的程序进行系统调用，发起一个读文件的请求。这样应用程序向系统调用发起请求的情况，一样是通过“异常”来实现的。

关于异常，最有意思的一点就是，它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）。有些教科书会把异常代码叫作中断向量（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）。也有地方，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。这个异常表有点儿像我们在第10讲里讲的GOT表，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。

我们的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。

这样“检测异常，拿到异常码，再根据异常码进行查表处理”的模式，在日常开发的过程中是很常见的。

比如说，现在我们日常进行的Web或者App开发，通常都是前后端分离的。前端的应用，会向后端发起HTTP的请求。当后端遇到了异常，通常会给到前端一个对应的错误代码。前端的应用根据这个错误代码，在应用层面去进行错误处理。在不能处理的时候，它会根据错误代码向用户显示错误信息。

public class LastChanceHandler implements Thread.UncaughtExceptionHandler {
    @Override
    public void uncaughtException(Thread t, Throwable e) {
        // do something here - log to file and upload to    server/close resources/delete files...
    }
}

Thread.setDefaultUncaughtExceptionHandler(new LastChanceHandler());

Java里面，可以设定ExceptionHandler，来处理线程执行中的异常情况

再比如说，Java里面，我们使用一个线程池去运行调度任务的时候，可以指定一个异常处理程序。对于各个线程在执行任务出现的异常情况，我们是通过异常处理程序进行处理，而不是在实际的任务代码里处理。这样，我们就把业务处理代码就和异常处理代码的流程分开了。

异常的分类：中断、陷阱、故障和中止

我在前面说了，异常可以由硬件触发，也可以由软件触发。那我们平时会碰到哪些异常呢？下面我们就一起来看看。

第一种异常叫中断（Interrupt）。顾名思义，自然就是程序在执行到一半的时候，被打断了。这个打断执行的信号，来自于CPU外部的I/O设备。你在键盘上按下一个按键，就会对应触发一个相应的信号到达CPU里面。CPU里面某个开关的值发生了变化，也就触发了一个中断类型的异常。

第二种异常叫陷阱（Trap）。陷阱，其实是我们程序员“故意“主动触发的异常。就好像你在程序里面打了一个断点，这个断点就是设下的一个"陷阱"。当程序的指令执行到这个位置的时候，就掉到了这个陷阱当中。然后，对应的异常处理程序就会来处理这个"陷阱"当中的猎物。

最常见的一类陷阱，发生在我们的应用程序调用系统调用的时候，也就是从程序的用户态切换到内核态的时候。我们在第3讲讲CPU性能的时候说过，可以用Linux下的time指令，去查看一个程序运行实际花费的时间，里面有在用户态花费的时间（user time），也有在内核态发生的时间（system time）。

我们的应用程序通过系统调用去读取文件、创建进程，其实也是通过触发一次陷阱来进行的。这是因为，我们用户态的应用程序没有权限来做这些事情，需要把对应的流程转交给有权限的异常处理程序来进行。

第三种异常叫故障（Fault）。它和陷阱的区别在于，陷阱是我们开发程序的时候刻意触发的异常，而故障通常不是。比如，我们在程序执行的过程中，进行加法计算发生了溢出，其实就是故障类型的异常。这个异常不是我们在开发的时候计划内的，也一样需要有对应的异常处理程序去处理。

故障和陷阱、中断的一个重要区别是，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。

最后一种异常叫中止（Abort）。与其说这是一种异常类型，不如说这是故障的一种特殊情况。当CPU遇到了故障，但是恢复不过来的时候，程序就不得不中止了。

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，所以我们称之为“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，所以我们称之为“同步“类型的异常。

在处理异常的过程当中，无论是异步的中断，还是同步的陷阱和故障，我们都是采用同一套处理流程，也就是上面所说的，“保存现场、异常代码查询、异常处理程序调用“。而中止类型的异常，其实是在故障类型异常的一种特殊情况。当故障发生，但是我们发现没有异常处理程序能够处理这种异常的情况下，程序就不得不进入中止状态，也就是最终会退出当前的程序执行。

异常的处理：上下文切换

在实际的异常处理程序执行之前，CPU需要去做一次“保存现场”的操作。这个保存现场的操作，和我在第7讲里讲解函数调用的过程非常相似。

因为切换到异常处理程序的时候，其实就好像是去调用一个异常处理函数。指令的控制权被切换到了另外一个"函数"里面，所以我们自然要把当前正在执行的指令去压栈。这样，我们才能在异常处理程序执行完成之后，重新回到当前的指令继续往下执行。

不过，切换到异常处理程序，比起函数调用，还是要更复杂一些。原因有下面几点。

第一点，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。

第二点，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。

第三点，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，对于异常这样的处理流程，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）。

总结延伸

这一讲，我给你讲了计算机里的“异常”处理流程。这里的异常可以分成中断、陷阱、故障、中止这样四种情况。这四种异常，分别对应着I/O设备的输入、程序主动触发的状态切换、异常情况下的程序出错以及出错之后无可挽回的退出程序。

当CPU遭遇了异常的时候，计算机就需要有相应的应对措施。CPU会通过“查表法”来解决这个问题。在硬件层面和操作系统层面，各自定义了所有CPU可能会遇到的异常代码，并且通过这个异常代码，在异常表里面查询相应的异常处理程序。在捕捉异常的时候，我们的硬件CPU在进行相应的操作，而在处理异常层面，则是由作为软件的异常处理程序进行相应的操作。

而在实际处理异常之前，计算机需要先去做一个“保留现场”的操作。有了这个操作，我们才能在异常处理完成之后，重新回到之前执行的指令序列里面来。这个保留现场的操作，和我们之前讲解指令的函数调用很像。但是，因为“异常”和函数调用有一个很大的不同，那就是它的发生时间。函数调用的压栈操作我们在写程序的时候完全能够知道，而“异常”发生的时间却很不确定。所以，“异常”发生的时候，我们称之为发生了一次“上下文切换”（Context Switch）。这个时候，除了普通需要压栈的数据外，计算机还需要把所有寄存器信息都存储到栈里面去。

课后思考

很多教科书和网上的文章，会把中断分成软中断和硬中断。你能用自己的话说一说，什么是软中断，什么是硬中断吗？它们和我们今天说的中断、陷阱、故障以及中止又有什么关系呢？

欢迎留言和我分享你的疑惑和见解。你也可以把今天的内容，分享给你的朋友，和他一起学习和进步。

精选留言（15）

-_-||| 👍（6） 💬（2）
文中“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）。”，那么，上下文就是运行在cpu层面的一个独立的进程？
2020-01-16

沧海一粟 👍（3） 💬（1）
有个疑问，软件层面的错误可以通过捕获-处理这样的流程解决。但是硬件难道永远不会出错吗，比如门电路输出有误，电压不足...等外部因素。换句话说 cpu计算的结果一定是正确的吗？
2023-03-29

Penn 👍（73） 💬（1）
linux内核中有软中断和硬中断的说法。比如网卡收包时，硬中断对应的概念是中断，即网卡利用信号“告知”CPU有包到来，CPU执行中断向量对应的处理程序，即收到的包拷贝到计算机的内存，然后“通知”软中断有任务需要处理，中断处理程序返回；软中断是一个内核级别的进程（线程），没有对应到本次课程的概念，用于处理硬中断余下的工作，比如网卡收的包需要向上送给协议栈处理。
2019-07-07

逆舟 👍（32） 💬（0）
网上搜到的思考题答案，分享给大家：硬中断由与系统相连的外设(比如网卡、硬盘)自动产生的。主要是用来通知操作系统系统外设状态的变化。软中断是一组静态定义的下半部分接口，可以在所有的处理器上同时执行，即使两个类型相同也可以。但是一个软中断不会抢占另外的一个软中断，唯一可以抢占软中断的硬中断。为了满足实时系统的要求，中断处理应该越快越好。编写驱动程序的时候，一个中断产生之后，内核在中断处理函数中可能需要完成很多工作。但是中断处理函数的处理是关闭了中断的。也就是说在响应中断时，系统不能再次响应外部的其它中断。这样的后果会造成有可能丢失外部中断。于是，linux内核设计出了一种架构，中断函数需要处理的任务分为两部分，一部分在中断处理函数中执行，这时系统关闭中断。另外一部分在软件中断中执行，这个时候开启中断，系统可以响应外部中断。 Linux为了实现这个特点，当中断发生的时候硬中断处理那些短时间，就可以完成的工作，而将那些处理事件比较长的工作，放到中断之后来完成，也就是软中断(softirq)来完成。
2020-05-29

陆离 👍（7） 💬（2）
硬中断类似键鼠，网卡这些外接设备发出的中断请求，同比与上文的中断。软中断类似程序内部IO的操作，由程序内部发出中断请求，同比上文的陷阱。
2019-06-28

栋能 👍（6） 💬（4）
有点疑问，文中说“故障异常经异常处理程序处理之后会回到故障发生的指令位置，并再执行一次”，并还举例说加法溢出是故障异常，既然按这例子讲，难道再加一次就不会异常了吗？这可能会无限陷入故障异常的死胡同？
2019-07-06

陈小狮 👍（4） 💬（4）
老师，请问java语言中的try..catch翻译成机器语言时是不是就是向异常表中注册了异常码？另外，开发规范中说try..catch不要写在for循环里面，是不是因为以下两点？： 1.for循环里try..catch会导致多次注册异常表？ 2.一旦for循环里面的代码发生异常，如果try..catch写在for循环里面，在执行catch异常处理前会发生[保存现场+上下文切换]，catch异常处理完成之后上下文切换回来，继续执行for循环里的代码通常情况下可能会再次引发异常处理。而如果放在for循环外层，一旦发生异常，异常处理完毕，则会继续执行后面的代码逻辑。望解答，谢谢老师！
2020-09-09

风 👍（2） 💬（0）
这一讲，我给你讲了计算机里的“异常”处理流程。这里的异常可以分成中断、陷阱、故障、中止这样四种情况。这四种异常，分别对应着 I/O 设备的输入、程序主动触发的状态切换、异常情况下的程序出错以及出错之后无可挽回的退出程序。当 CPU 遭遇了异常的时候，计算机就需要有相应的应对措施。CPU 会通过“查表法”来解决这个问题。在硬件层面和操作系统层面，各自定义了所有 CPU 可能会遇到的异常代码，并且通过这个异常代码，在异常表里面查询相应的异常处理程序。在捕捉异常的时候，我们的硬件 CPU 在进行相应的操作，而在处理异常层面，则是由作为软件的异常处理程序进行相应的操作。而在实际处理异常之前，计算机需要先去做一个“保留现场”的操作。有了这个操作，我们才能在异常处理完成之后，重新回到之前执行的指令序列里面来。这个保留现场的操作，和我们之前讲解指令的函数调用很像。但是，因为“异常”和函数调用有一个很大的不同，那就是它的发生时间。函数调用的压栈操作我们在写程序的时候完全能够知道，而“异常”发生的时间却很不确定。所以，“异常”发生的时候，我们称之为发生了一次“上下文切换”（Context Switch）。这个时候，除了普通需要压栈的数据外，计算机还需要把所有寄存器信息都存储到栈里面去。
2020-10-23

程序员花卷 👍（2） 💬（1）
软中断，顾名思义，就是程序在执行的过程中所发生的异常，对应的是异步硬中断，顾名思义，就是程序的异常来自于外部的系统，而不是正在执行的程序，对应的是同步
2019-12-20

WL 👍（2） 💬（0）
老师请问一下，是不是无论哪种异常发生都会有一次上下文切换？
2019-06-28

Magic 👍（1） 💬（0）
软中断：系统调用硬中断：硬件中断
2020-10-07

A君 👍（1） 💬（0）
硬中断就是硬件向cpu发出的信号，包括时钟信号、触摸屏触摸信号等，软中断就是陷阱，是程序进入内核态的方法，用于切换cpu模式。
2020-07-04

chengzise 👍（1） 💬（2）
软件中断对应今天稳重的陷阱。硬中断对应今天文中的中断，有的还会包含故障，也有的把故障单独归类为异常。
2019-06-28

Geek_32eddc 👍（0） 💬（0）
软中断定义：软中断是由软件触发的中断。它通常通过执行特定的指令（如int指令在x86架构中）来模拟硬件中断的效果。用途：最常见的是用于发起系统调用。当用户空间的应用程序需要请求内核提供的服务时（例如读取文件、创建进程等），就会使用软中断机制来实现从用户态到内核态的切换。特性：可控且可预测，因为它们是由程序员或操作系统明确设计并主动触发的。硬中断定义：硬中断是由外部硬件设备触发的中断。比如键盘按键、磁盘I/O操作完成或者网络接口接收到数据包等情况下，这些硬件会产生信号通知CPU有事件需要处理。用途：用于响应外部世界的变化，确保实时性和交互性。例如，当你按下键盘上的一个键时，键盘控制器会发送一个硬中断给CPU，告知它有新的输入需要处理。特性：不可预测，因为它们依赖于外部世界的物理事件，这些事件的发生时间和频率不是由程序本身控制的。
2025-01-14

Mamba 👍（0） 💬（0）
软中断是由软件产生的中断，通常是在执行特定指令时由程序主动请求的。软中断是一种同步事件，因为它是在程序执行到某个特定点时发生的。硬中断是由硬件设备产生的中断，是一种异步事件，因为它可以在程序执行的任何时刻发生。
2024-08-29