为何要有中断？

中断是操作系统中相当核心的功能，任何操作系统都包含了对于硬件设备的有效管理。处理器的素的和外围的硬件设备的速度不在一个数量级上，因此，如果让内核采用让处理器向硬件发出请求，然后专门去等回应显然是差强人意。那么内核就应该在此期间去完成其他的事情，等硬件完成了请求再回过头去处理。中断机制就让内核主动变为硬件主动。

那么此时就有两种处理方法，第一个就是轮询，内核定期的对硬件设备进行状态查询，作出处理。这样的话，也会导致内核做太多的无用功。更好的方法是另一个机制，让硬件在需要的时候向内核发出信号，这就是中断机制，对于中断的处理也同样软硬结合。

中断、终止、陷阱、故障区分

异常分为四类：中断，终止，陷阱，故障。

中断：他是有外部设备硬件发出的，是异步发生的，因为CPU也不知道这个中断什么时候发生，处理完中断之后，CPU会继续执行代码。

故障：CPU 执行当前指令内部产生，同步，执行某条指令的时候才触发。修复完故障之后，重新执行刚才出错的那条指令。例如：缺页异常。

陷阱：CPU 执行当前指令内部产生，同步。主动触发，故意触发，指令执行成功后才跳入处理。陷阱处理完毕，执行下一条指令，不会重复执行触发陷阱的那条指令。

终止：同步，严重硬件错误，无法修复。会直接杀死进程。

以上是根据英特尔CPU的具体异常分类。

内核态与用户态

内核态，用户态是对当前进程或者说是CPU的状态描述，而状态的转化也与中断有关联。同时还与虚拟地址空间有关（虚拟地址空间，页表是由虚拟到物理的桥梁）。内核态无非就是对内核地址空间的访问，用户态是对用户地址空间的访问，通过页表的权限认定后才可访问。

在CPU内部有寄存器存储了CPU的状态，例如CS寄存器。要想对于这两种状态的理解更加深入必须具体到实际场景当中。

硬件中断

当用户从键盘输入数据，网卡从网络当中读取数据的时候，CPU会从中断控制器获取相应的中断号，之后CPU由用户态转换到内核态，陷入内核当中，去中断向量表(IDT)当中查找对应的中断处理程序，一个设备的中断处理程序是它的驱动程序的一部分——设备驱动程序是用于对设备进行管理的内核代码。 CPU停止执行当前进程的代码指令，转而去执行操作系统的代码。在这之前，CPU需要对原有的进程的硬件上下文数据进行保护，即CPU自动进行压栈处理，将数据资源存入内核栈当中，即保护现场。

说到硬件中断就不得不提时钟中断，在我们电脑内部存在一个硬件——晶振。晶振可以向我们的CPU间接的，周期性的发送硬件中断。CPU就会按照以上的流程去处理当前的中断，这样也使得我们的操作系统得以周期性的执行。在这里，时钟中断和当前进程的时间片有着千丝万缕的关系。首先，CPU每次处理时钟中断，内核都会更新全局的时间，调整当前进程的时间片。如果当前进程的时间片耗尽，就会触发进程调度相关函数。所以进程的调度也是软硬件结合实现的，时间片只是一个计数器，对计数器的更改又要依靠时钟中断来配合。

在处理完中断之后，CPU会把在内核栈当中的数据恢复继续去执行进程代码，即恢复现场。

软件中断

软件中断是由CPU自己主动触发的，就比如用户在代码当中去调用系统调用函数。在C语言库当中会对系统调用做一些封装，里面会由汇编语言帮助我们CPU陷入内核态，比如：x86‑32位：int 0x80，x86‑64 现代：syscall 指令。这是我们用户自己有意图的去陷入内核当中的，之后CPU拿着系统调用号去内核当中去执行内核函数，处理完毕后也会恢复现场。

缺页异常(缺页中断)

很多教材称缺页为缺页中断，这是广义层面的叫法，代表 “打断程序执行，进入操作系统处理”；但从 x86CPU 硬件架构严格分类，它属于异常下的故障。最大特征：处理完成后，CPU 会重新执行那条触发缺页的内存访问指令。

那么在什么时候会发生缺页异常呢？

例如：我们在访问一块物理内存的时候，MMU在通过页表当中的标志位判断之后，发现无法映射此内存时，会发生缺页异常；

当我们的文件内容还未加载到物理内存又要访问的时候，会发生缺页异常。CPU从用户态陷入内核态。调用相应的中断处理函数。

缺页异常与Linux本身的懒加载(懒分配)机制，虚拟地址空间强相关。

在我们用户new或者malloc一块空间时，操作系统并不会立马就把物理内存给我们分配好，只是分配了一块虚拟地址编号范围，并没有实际的存储空间。只有等到CPU执行到此行代码的时候，真正去读取解析这一块虚拟地址的时候，CPU才会发生缺页异常，内核才去分配物理页，填充页表。此时，才有了实际的存储空间却写入数据，访问数据。

我们在与文件系统关联，在CPU发生缺页异常后，会先对该虚拟地址进行合法性判断，这也是缺页异常当中核心的步骤。首先，虚拟地址空间是由链表结构组织起来的，此时，会将该虚拟地址在所有的VMA当中去遍历查找，看该虚拟地址落在了哪一个VMA当中，如果没有，那么就是非法的操作。如果找到了，就会进入权限判断逻辑，比如：对于只读的文件进行写操作就是非法的，会通过信号的方式杀死进程等。通过这些检验之后，在vm_are_struct当中会有struct file*这个结构体指针，这是描述文件的结构体，如果该指针为NULL，则表明此地址只是需要去申请一块空间存储数据，不与文件关联，这也就是malloc的部分底层实现机制。反之，如果有明确的指向，代表与磁盘文件有关，此时，需要获取inode，去分区当中去查找，再将他的数据块以4KB为单位加载到物理内存当中，填充页表，构建映射。即可访问。

对于Swap机制的处理也是同样的，当内存资源紧张的时候，会把部分“冷”资源换出到磁盘当中，等到要访问的时候，再通过以上操作将数据再载入内存。

经过以上的操作之后，算是对缺页异常的处理结束了，CPU返回用户态，重复执行当前的代码，此时可以正常运行。从以上的解析当中，不难发现，有些缺页异常的情况是不需要I/O的，比如只是申请一块内存使用，对于他们的处理是极快的，没有磁盘的I/O操作。

总结

那么，对于中断的一些理解到这里就结束了。若有不足之处，敬请指出。感谢阅读！