Day49-53 操作系统的中断、异常以及系统调用

Hi! 我是大白(●—●)，这是我开始学习记录大白Java软件攻城狮晋升之路的第四十九到五十三天（补），今天学习的是操作系统的中断、异常以及系统调用。

一、中断和异常

1.中断机制的诞生

为了解决上述问题，人们发明了操作系统( 作为计算机的管理者)，引入中断机制，实现了多道程序并发执行
本质：发生中断就意味着需要操作系统介入，开展管理工作。
具体过程如下图所示（手机党慎入）：

2.中断的概念和作用

1. 当中断发生时，CPU立即进入核心态
2. 当中断发生后，当前运行的进程暂停运行，并由操作系统内核对中断进行处理
3. 对于不同的中断信号，会进行不同的处理

发生了中断，就意味着需要操作系统介入，开展管理工作。由于操作系统的管理工作(比如进程切换、分配I/O设备等)需要使用特权指令，因此CPU要从用户态转为核心态。中断可以使CPU从用户态切换为核心态，使操作系统获得计算机的控制权。有了中断，才能实现多道程序并发执行。

在回顾上篇文章的操作系统运行机制：

其中的遗留问题：用户态、核心态之间的切换是怎么实现的?
答:“用户态->核心态”是通过中断实现的。并且中断是唯一途径。
“核心态->用户态 ”的切换是通过 执行一个特权指令，将程序状态字(PSW)的标志位设置为“用户态”

3.中断的分类

4.外中断的处理过程

1. Step1：执行完每个指令之后，CPU都要检查当前是否有外部中断信号
2. Step 2：如果检测到外部中断信号，则需要保护被中断进程的CPU环境(如程序状态字PSW、程序计数器PC、各种通用寄存器)
3. Step 3：根据中断信号类型转入相应的中断处理程序
4. Step 4：恢复原进程的CPU环境并退出中断，返回原进程继续往下执行。

二、系统调用

1.什么是系统调用，有何作用？

操作系统作为用户和计算机硬件之间的接口，需要向上提供一些简单易用的服务。主要包括命令接口和程序接口。其中，程序接口由一组系统调用组成。

“系统调用”是操作系统提供给应用程序(程序员/编程入员)使用的接口，可以理解为一种可供应用程序调用的特殊函数，应用程序可以发出系统调用请求来获得操作系统的服务。

问题：操作系统为什么要提供“系统调用”功能?
生活场景：你去学校打印店打印论文，当你按下“打印”之后，打印机开始工作。你的论文打印到- -半时，另-位同学按下了“打印”按钮开始打印他自己的论文。最终，你的论文和该同学的论文页面并没有混杂在一起，都是按顺序依次打印的。

思考：如果各个进程可以随意地使用打印机，会发生什么情况?
你的论文打印到一半时，另一位同学按下了“打印”按钮开始打印他自己的论文。结果，你的后半部分论文与该同学的页面混杂在一起了。。。
解决方法：操作系统提供“系统调用”功能，用户进程想要使用打印机这种共享资源，只能通过系统调用向操作系统发出请求。操作系统会对各个请求进行协调管理。

应用程序通过系统调用请求操作系统的服务。系统中的各种共享资源都由操作系统统一掌管，因此在用户程序中，凡是与资源有关的操作(如存储分配、I/0操作、文件管理等)，都必须通过系统调用的方式向操作系统提出服务请求，由操作系统代为完成。这样可以保证系统的稳定性和安全性，防止用户进行非法操作。

2.系统调用与库函数的区别

不涉及系统调用的库函数：如“取绝对值”的函数
涉及系统调用的库函数：如“创建一个新文件”的函数

3.系统调用背后的过程

系统调用号实例

传递系统调用参数→执行陷入指令(用户态)→执行系统调用相应服务程序(核心态)→返回用户程序
注意:

1. 陷入指令是在用户态执行的，执行陷入指令之后立即引发一个内中断，从而CPU进入核心态
2. 发出系统调用请求是在用户态，而对系统调用的相应处理在核心态下进行
3. 陷入指令是唯一一个只能在用户态执行，而不可在核心态执行的指令