应用程序的运行过程中，往往会需要外部设备的干预，比如键盘敲击输入文字、鼠标点击确认按钮，并且应用程序自己可能需要一些系统服务，比如文件读写、网络通讯；另外，在运行过程中，可能还会产生一些意料之外的异常。不论是主动调起还是被动触发，都会产生一个CPU信号，这些信号分为三类，中断/异常/系统调用，信号发出后，CPU都会交给操作系统进行相应处理
那么三者分别是什么含义，区别又是什么呢？我们分三个方面作下说明
1.来源：
1.1.中断的来源是外部IO设备，键盘产生敲击事件，鼠标产生移动点击事件，网卡产生网络包事件，显卡声卡等等都会产生各种事件，这些外设产生的事件就称为中断
1.2.异常是应用程序在执行过程中出现了意料之外的事情，不得不让操作系统去完成相应的处理，比如除了一个值为0的变量
1.3.系统调用是应用程序明确要求操作系统提供某个服务，比如打开文件，关闭文件，读写文件，发送网络包
2.触发时机与处理方式：
2.1.中断：应用程序无法知道外设何时发出了中断信号，操作系统在检测到中断信号后，会切换到中断程序去处理，完成后再切换回应用程序，这个过程对应用程序是透明的
2.2.异常：应用程序执行到引发错误的指令后，立即触发异常信号，操作系统同步处理，可能会杀死当前进程，或者重新执行产生异常的指令
2.3.系统调用：应用程序发起调用时，触发系统调用信号，操作系统处理方式可能为同步可能为异步，比如应用程序请求读一块数据，可以在发出后等待数据就绪后才接着干其他事情，也可以在发出后就干其他事情，操作系统处理完成后发出就绪事件通知应用程序
3.处理过程：
三者的处理过程大致相似，是硬件处理和软件处理的结合，首先都是由CPU检测到信号，然后再交给操作系统处理
拿中断来说，外部硬件设备需要服务时，会设置中断标记，CPU会检测到这个标记，然后根据这个标记得出中断号，将中断号发给操作系统，操作系统就根据中断号在中断向量表中找到处理程序地址，在跳转到处理程序前，操作系统保存被打断程序的执行现场，执行中断处理程序，处理完成后恢复之前保存好的程序执行现场，让程序继续执行，这个跳转和恢复的过程叫做上下文切换，如果你感兴趣，可以参考我的博文深入理解上下文切换
异常是CPU执行到应用程序的某个特定指令时产生了错误，比如除0，同样的，CPU会发出一个异常号，并将其发给操作系统，操作系统在中断向量表中找到异常程序处理地址，上下文切换到异常处理程序，操作系统可能会认为错误是由自己的服务不到位产生的，会将错误弥补好，然后切回应用程序，让它重新执行，这里注意重新执行和接着执行的区别。如果操作系统认为异常是无法恢复的，或者不应该发生的，也有可能会选择杀死进程
应用程序运行时，可能会需要一些特定的服务，比如文件读写，网络包传输等，这些服务不能由应用程序直接执行，必须由操作系统来完成，这就需要操作系统对应用程序提供一些接口，应用程序通过接口调用，间接的对整个计算机系统进行控制和管理。在不同的操作系统，这些接口都是以API的形式提供出来的，使得应用程序可以像调用方法一样简单的使用系统调用接口，这些接口会触发一个从用户态到内核态的转换。内核态以及用户态的划分，是操作系统为了控制不同程序的权限等级而设定的，权限等级分为ring0~ring3四个级别，用户态处于ring3，权限最低，内核态处于ring0，权限最高(可以访问系统关键资源，比如文件读写，网卡读写)，当处于用户态时，想要执行更高权限的指令是被禁止的，所以会先切换到权限更高的内核态，然后再执行指令。切换到内核态后，和上面一样，操作系统会根据调用号找到处理程序，进行相应处理，如果这个过程中涉及到数据传输，还会触发数据在内核态和用户态两个内存地址空间之间的拷贝，处理完成后，切换回用户态，并返回本次调用的结果，比如从socket中读到了一行数据，应用程序就可以接着处理了
中断，异常，系统调用的处理各有不同，相同之处也很明显，它们都跨越了应用程序与操作系统的边界，为了维持这个边界，操作系统付出了一定的代价
1.需要维护一个中断向量表，用于找到处理程序
2.操作系统要维护自己的堆栈，不能和应用程序堆栈混淆，操作系统处理程序退出时保存堆栈，执行时弹出堆栈
3.操作系统是不信任应用程序的，在应用程序发出系统调用后，需要进行参数验证
4.涉及到数据读写时，存在内核态和用户态的数据拷贝
既然维持边界代价不小，为啥还要这样做呢？为啥应用程序不能直接和外设交互，不能直接打开文件呢？
因为从安全角度来讲，操作系统是可信的，但应用程序是不可信的，其行为具有不可预测性，应用程序直接访问外设，操作系统资源可能造成整个计算机系统崩溃。这种机制可以让应用程序运行在一个相对安全的环境中
从方便角度来讲，不论是中断、异常、还是系统调用，都是操作系统对上层应用提供的统一接口，操作系统屏蔽了各种底层设施的复杂度和不同点，让程序更可以更方便的使用
所以说，这些开销是必须的，也是值得的
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