第28章 汇编语言--- 异常处理

在汇编语言中，异常处理是一个重要的概念，它涉及到处理器如何响应和处理程序运行时发生的非正常情况。异常可以是硬件错误（例如除零错误、非法指令）或者软件触发的中断（例如系统调用）。当发生异常时，处理器会暂停当前正在执行的程序，并转移到一个预先定义好的位置来处理这个异常。

为了详细阐述第28章关于汇编语言中的异常处理，我们可以考虑一个简化的例子，展示异常处理的基本结构。请注意，实际的代码将取决于具体的处理器架构（如x86, ARM等），因此以下示例是泛化的，并且可能需要根据具体环境进行调整。

假设我们有一个简单的汇编程序，其中包含了一个可能会导致异常的操作（例如除以0），以及一个异常处理程序来应对这种情况。下面是如何构建这样一个程序的基本思路：

section .text
global _start

_start:
    ; 正常程序代码开始
    mov eax, 10      ; 将数值10放入EAX寄存器
    xor ebx, ebx     ; 清空EBX寄存器，准备做除法操作
    div ebx          ; 这里尝试除以0，将触发异常

exception_handler:
    ; 异常处理程序代码开始
    ; 在这里放置处理异常的代码
    ; 例如记录错误信息或恢复程序状态

    ; 处理完毕后，可以选择返回到正常的程序流程
    ; 或者终止程序
    mov eax, 1       ; 系统调用号 (sys_exit)
    xor ebx, ebx     ; 返回状态码 0
    int 0x80         ; 执行系统调用

在这个例子中，div ebx 指令将会因为尝试除以0而触发一个异常。操作系统或底层的硬件机制应该已经配置好了异常向量表（Interrupt Vector Table, IVT），该表指定了不同类型的异常应该跳转到哪个地址去执行对应的异常处理程序。当异常发生时，控制权会传递给 exception_handler。

在实际的环境中，异常处理通常更复杂，因为它不仅需要处理错误，还需要保存和恢复程序的状态（比如寄存器的内容），确保系统的稳定性和安全性。此外，异常处理程序也必须尽可能快地执行，以便最小化对系统性能的影响。

由于这是个简化示例，实际的异常处理机制包括但不限于：设置中断描述符表（IDT）、编写异常处理函数、使用特殊的指令来设置和清除异常标志、以及与操作系统内核或其他特权级代码交互等。

我将构建一个基于x86架构的Linux系统上的汇编语言程序。该程序将展示如何处理除零异常（在x86中是#DE异常）。这个例子将会使用GNU Assembler (GAS)语法，并且会涉及到设置中断描述符表(IDT)以及编写异常处理程序。

请注意，直接从用户模式修改IDT或处理低级异常通常需要内核权限，因此下面的例子是一个简化版本，用于说明概念。实际的操作系统内核会有更加复杂和安全的机制来处理这些事情。

首先，我们假设有一个简单的程序，它可能会触发除零异常。然后我们将展示如何编写一个简单的异常处理程序。由于直接操作IDT需要特权指令，这里我们只展示异常发生时的行为，而不涉及IDT的配置。

section .text
global _start

; 定义一个简单的异常处理程序
divide_error_handler:
    ; 这里可以添加代码来记录错误信息或者采取其他行动
    ; 例如，打印错误信息到屏幕、日志文件等
    mov eax, 4          ; 系统调用号 (sys_write)
    mov ebx, 1          ; 文件描述符 (stdout)
    mov ecx, error_msg  ; 消息指针
    mov edx, len        ; 消息长度
    int 0x80            ; 执行系统调用

    ; 处理完毕后，可以选择返回到正常的程序流程
    ; 或者终止程序
    mov eax, 1          ; 系统调用号 (sys_exit)
    xor ebx, ebx        ; 返回状态码 0
    int 0x80            ; 执行系统调用

_start:
    ; 正常程序代码开始
    mov eax, 10         ; 将数值10放入EAX寄存器
    xor ebx, ebx        ; 清空EBX寄存器，准备做除法操作
    div ebx             ; 这里尝试除以0，将触发异常

section .data
error_msg db 'Divide by zero error!', 0xA  ; 错误信息字符串，包括换行符
len equ $ - error_msg                      ; 计算字符串长度

在这个例子中，_start 是程序的入口点。当执行到 div ebx 指令时，因为EBX为0，所以会触发除零异常。在真实的环境中，处理器会查找IDT来找到正确的异常处理程序地址。然而，在这个简化的例子中，我们假定操作系统已经配置好了IDT，并且知道应该跳转到 divide_error_handler 来处理这个特定类型的异常。

divide_error_handler 中的代码模拟了异常处理的过程。它使用了 sys_write 系统调用来输出一条错误信息到标准输出，然后使用 sys_exit 来结束程序。

在实际的应用中，异常处理程序可能需要保存当前CPU的状态（比如所有通用寄存器的内容），以便可以在处理完异常后恢复程序的正常执行。此外，异常处理程序还需要遵循操作系统的约定，确保不会破坏系统的稳定性。

如果你想要深入了解如何在x86 Linux环境下编写完整的异常处理代码，包括配置IDT和编写内核模块，你可能需要查阅相关文档，如《Intel® 64 and IA-32 Architectures Software Developer’s Manual》和Linux内核源代码。

为了提供一个更完整的案例，我们将进一步深入探讨如何在x86架构的Linux系统上编写汇编代码来处理异常。这将包括定义和安装异常处理程序、配置中断描述符表（IDT），以及编写内核模块来注册我们的自定义异常处理程序。请注意，这些操作通常需要管理员权限，并且涉及到修改操作系统内核的行为，因此必须小心进行。

1. 编写异常处理程序

首先，我们定义一个简单的异常处理程序，它将在除零异常发生时被调用。这个例子假设你已经有了一个运行中的Linux内核，并且你正在编写一个内核模块。

section .text
global divide_error_handler

divide_error_handler:
    ; 保存所有寄存器状态
    pusha

    ; 打印错误信息到控制台
    mov eax, 4          ; 系统调用号 (sys_write)
    mov ebx, 1          ; 文件描述符 (stdout)
    lea ecx, [error_msg] ; 消息指针
    mov edx, len        ; 消息长度
    int 0x80            ; 执行系统调用

    ; 恢复所有寄存器状态
    popa

    ; 返回到之前的指令或者结束进程
    iret                ; 中断返回指令

section .data
error_msg db 'Divide by zero error!', 0xA  ; 错误信息字符串，包括换行符
len equ $ - error_msg                      ; 计算字符串长度

2. 配置IDT并注册异常处理程序

接下来，我们需要配置IDT并且告诉处理器当除零异常发生时应该跳转到哪里。这通常是在操作系统启动或加载内核模块时完成的。以下是一个简化的C语言内核模块的例子，用于注册上述的汇编异常处理程序：

#include <linux/module.h>
#include <linux/kernel.h>
#include <linux/init.h>
#include <asm/desc.h>
#include <asm/idtentry.h>

extern void divide_error_handler(void);

static struct gate_desc idt_table[IDT_ENTRIES];

// 设置门描述符以指向我们的处理程序
static void setup_idt_entry(int vector, unsigned long handler) {
    set_intr_gate(vector, (void *)handler);
}

static int __init my_module_init(void) {
    printk(KERN_INFO "Installing custom divide error handler.\n");

    // 安装新的异常处理程序到IDT中
    setup_idt_entry(0, (unsigned long)divide_error_handler); // 0是除零异常的向量号

    load_idt(&idt_table); // 加载新的IDT

    return 0;
}

static void __exit my_module_exit(void) {
    printk(KERN_INFO "Removing custom divide error handler.\n");
}

module_init(my_module_init);
module_exit(my_module_exit);

MODULE_LICENSE("GPL");
MODULE_AUTHOR("Your Name");
MODULE_DESCRIPTION("A simple module to install a custom divide error handler.");

注意事项

• 上述代码片段是高度简化的，实际的内核编程会更加复杂。
• set_intr_gate 和 load_idt 是用来设置中断门描述符和加载IDT的辅助函数。它们不是标准的C库函数，而是特定于内核环境的。
• 在真实的环境中，你需要确保你的模块遵循所有的安全协议，并且不会破坏系统的稳定性。
• 内核编程和直接操作硬件资源如IDT是非常危险的操作，可能会导致系统不稳定甚至崩溃。因此，这种级别的编程应当仅限于有经验的开发者，并且应在受控环境下进行测试。

以上内容展示了如何在理论上编写和注册一个自定义的异常处理程序。如果你打算尝试这些代码，请确保你了解相关风险，并在适当的开发环境中工作，例如使用虚拟机或专用的测试机器。