【操作系统】中断和异常、系统调用

1. 中断的作用

CPU上会运行两种程序，一种是操作系统内核程序，一种是应用程序。

“中断”会使CPU由用户态变为内核态，使操作系统重新夺回对CPU的控制权。

在合适的情况下，操作系统内核会把CPU的使用权制动让给应用程序。

“中断”是让操作系统内核夺回CPU使用权的唯一途径。如果没有“中断”机制，那么一旦应用程序上CPU运行，CPU就会一直运行这个应用程序，那么也就没有了“并发”。

2. 中断的类型

1. 内中断

与当前执行的指令有关，中断信号来源于CPU内部。

若当前执行的指令是非法的，则会引发一个中断信号。

例子1:试图在用户态下执行特权指令。

例子2:执行除法指令时发现除数为0。

执行“陷入指令”，意味着应用程序主动地将CPU控制权还给操作系统内核。“系统调用”就是通过陷入指令完成的。

例子3:有时候应用程序想请求操作系统内核的服务，此时会执行一条特殊的指令—陷入指令，该指令会引发一个内部中断信号。

2. 外中断

与当前执行的指令无关，中断信号来源于CPU外部。

每一条指令执行结束时，CPU都会例行检查是否有外中断信号。

例子1:时钟中断—由时钟部件发来的中断信号。

例子2: I/O中断——由输入/输出设备发来的中断信号。

3. 中断机制的基本原理

不同的中断信号，需要用不同的中断处理程序来处理。当CPU检测到中断信号后，会根据中断信号的类型去查询“中断向量表”，以此来找到相应的中断处理程序在内存中的存放位置。

2. 系统调用

1. 什么是系统调用

“系统调用”是操作系统提供为应用程序（程序员/编程人员）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，应用程序可以通过系统调用来请求获得操作系统内核的服务。

2. 系统调用和库函数的区别

普通应用程序	可直接进行系统调用，也可使用库函数。有的库函数涉及系统调用，有的不涉及
编程语言	向上提供库函数。有时会将系统调用封装成库函数，以隐藏系统调用的一些细节，是程序员编程更加方便
操作系统	向上提供系统调用，使得上层程序能请求内核的服务
裸机

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. 系统调用是必须的

问题：如果两个进程可以随意地、并发地共享打印机资源，会发生什么情况？比如使用WPS和Word同时打印论文。

两个进程并发执行，打印机设备交替地收到WPS和Word两个进程发来的打印请求，结果两篇论文内容混杂在一起了？

解决方法：由操作系统内核对共享资源进行统一的管理，并向上提供“系统调用”。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内核发出请求，内核会对各个请求进行协调处理。

4. 什么时候要用到系统调用？

应用程序通过系统调用请求操作系统的服务。而系统中的各种共享资源都由操作系统内核统一管理，因此凡是与共享资源有关的操作（如存储分配、I/O操作、文件管理等），都必须通过系统调用的方式向操作系统内核提出服务请求，由操作系统内核代为完成。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。