十八、CPU的控制流：正常控制流和异常控制流

目录

• 一、什么是控制流？
• 二、正常控制流
• 三、异常控制流
• 四、正常控制流 vs. 异常控制流
• 总结与重要性

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一、什么是控制流？

控制流指的是程序计数器（PC或EIP/RIP）随时间变化的序列。简单来说，就是CPU执行指令的顺序。

从你按下电源键开始，CPU就在不停地取指令、执行指令，PC寄存器的值决定了下一条要执行哪条指令。这个PC值的序列就构成了控制流。

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二、正常控制流

正常控制流，也称为平滑控制流，是程序执行的默认模式，其特点是可预测性。

1. 定义：

   • 指令在内存中顺序排列，PC寄存器通常自动递增，指向下一条相邻的指令。这种一条接一条的顺序执行，就是最基本的正常控制流。

2. 改变正常控制流的指令：

   • 程序并非总是顺序执行。通过一些特定的指令，可以有意地、程序化地改变控制流，但这仍然属于“正常”范畴，因为这是程序员预先设计好的。
   • 跳转指令：jmp（无条件跳转）
   • 条件分支指令：je, jne, jg等（根据条件码寄存器决定是否跳转）
   • 函数调用指令：
     • call：将返回地址（下一条指令的地址）压栈，然后跳转到函数入口。
     • ret：从栈中弹出返回地址，并跳转到该地址，从而返回到调用者。

3. 特点：

   • 可预测性：控制流的改变完全由程序本身的代码逻辑决定。只要给定输入，执行的路径是确定的。
   • 由应用程序控制：改变的时机和目标地址都编码在程序指令中。

正常控制流就像一个严格遵守计划的旅程：从A地到B地，途中根据计划书（程序逻辑）的指示，在特定的路口（分支指令）转向C地，或者先到D地办点事（函数调用）再返回主路。

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三、异常控制流

异常控制流是指响应系统状态变化而发生的、不可预测的控制流改变。它是“异常”的，因为它超出了应用程序本身代码的控制范围。

ECF是操作系统用来实现进程、信号、虚拟机等核心概念的基本机制。

1. 定义：

   • 控制流的改变不是由程序内部的指令直接引发的，而是由处理器上的硬件事件或操作系统状态的变化所触发的。

2. 异常控制流的层次：
   异常控制流发生在计算机系统的各个层次，从底层的硬件到高层的软件：

   • 硬件层次：异常和中断。这是最底层的ECF，由硬件检测并启动，最终由操作系统内核处理。这是我们之前讨论的重点。

     • 示例：除零异常、缺页异常、定时器中断、I/O中断。

   • 操作系统层次：进程上下文切换。操作系统通过内核模式的异常控制流来实现多任务。

     • 示例：一个进程的时间片用完了，操作系统通过定时器中断获得CPU控制权，将当前进程的上下文保存起来，并恢复另一个进程的上下文，从而切换到另一个进程执行。这个过程对进程而言是不可感知、不可预测的，是最高效的异常控制流。

   • 应用层层次：信号。这是操作系统提供给应用程序的一种高级形式的ECF，允许进程响应异步事件。

     • 示例：当一个用户按下Ctrl+C时，内核会向前台进程发送一个SIGINT信号。进程收到这个信号后，会突然中断当前的正常执行流，转而执行一个预先注册的信号处理函数。执行完后，再（尝试）返回到原来的控制流中。

3. 特点：

   • 不可预测性（异步）：事件可能在程序执行的任何时刻发生，与程序本身的逻辑无关。
   • 由系统外部状态控制：变化的触发者是外部事件（如中断）或操作系统内核（如上下文切换），而非应用程序本身。
   • 对应用程序透明：应用程序通常不知道ECF何时会发生。

异常控制流就像你在计划好的旅程中，突然接到一个紧急电话（中断），你必须立刻改变路线去处理一个突发事件。处理完后，你再回到原来的路线上继续你的旅程。这个紧急电话不是你原计划的一部分，它的到来是不可预测的。

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四、正常控制流 vs. 异常控制流

特性	正常控制流	异常控制流
触发原因	程序内部的指令（跳转、调用）	外部事件或处理器状态变化
确定性	可预测，由程序逻辑决定	不可预测（异步），随机发生
控制者	应用程序自身	硬件和操作系统内核
粒度	指令级、函数级	进程级、系统级
可见性	对程序员可见，是编程的一部分	对应用程序通常透明，由系统处理
示例	if-else, while, call/ret	中断、异常、进程切换、信号

总结与重要性

理解这两种控制流至关重要，因为：

1. 理解程序执行的基础：所有程序的执行都是这两种控制流的结合。
2. 理解操作系统的基石：异常控制流是操作系统实现其强大功能的根本机制。
   • 进程：通过上下文切换（一种ECF），操作系统创造了每个进程独占CPU的假象。
   • I/O：通过中断（一种ECF），CPU可以高效地与慢速设备协同工作。
   • 虚拟内存：通过缺页异常（一种ECF），操作系统可以按需加载页面，实现虚拟内存。
   • 应用程序交互：通过信号（一种ECF），操作系统允许用户与进程交互（如Ctrl+C终止进程）。

可以说，没有异常控制流，现代计算机的多任务、安全和资源管理能力都将不复存在。