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周伟 0f006e4e9b add
2022-05-11 18:57:05 +08:00

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<div class="book-post">
<p id="tip" align="center"></p>
<div><h1>15 中断和中断向量：Javajs 等语言为什么可以捕获到键盘输入？</h1>
<p>你好，发现求知的乐趣，我是林䭽。</p>
<p><strong>本课时我们依然以一道面试题为引开启今天的学习。请你思考：Java/JS 等语言为什么可以捕获到键盘的输入</strong>？</p>
<p>其实面试是一个寻找同类的过程，在阿里叫作“闻味道”——用键盘输入是程序员每天必做的事情，如果你对每天发生的事情背后的技术原理保持好奇心和兴趣，并且愿意花时间去探索和学习，这就是技术潜力强的表现。相反，如果你只对马上能为自己创造价值的事情感兴趣，不愿意通过探索和思考的方式，去理解普遍存在的世界，长此以往就会导致知识储备不足。</p>
<p>我想通过本课时讲解一种特别的学习技巧，可以说是“填鸭式学习”的反义词，叫作“探索式学习”。我看网上也叫作“破案式学习”，学习过程像攻破一个谜题，或者分析一个案件，并不是从结论开始，然后一层层学习理论；而是通过找到一个目标，一层层挖掘需要的知识、理论，一点点去思考解决方案，最终达到提升解决问题能力的目的。</p>
<p>接下来，请你和我一起化身成一名计算机科学家，假设明天就要生产机器了，但是为 Java/JS 等语言提供键盘输入支持模块的操作系统今天还没有完成，现在还有一节课的时间，那么我们应该如何去做呢？</p>
<h3>探索过程：如何设计响应键盘的整个链路？</h3>
<p>当你拿到一个问题时，需要冷静下来思考和探索解决方案。你可以查资料、看视频或者咨询专家，但是在这之前，你先要进行一定的思考和梳理，有的问题可以直接找到答案，有的问题却需要继续深挖寻找其背后的理论支撑。</p>
<p><strong>问题 1：我们的目标是什么?</strong></p>
<p>我们的目标是在 Java/JS 中实现按键响应程序。这种实现有点像 Switch-Case 语句——根据不同的按键执行不同的程序，比如按下回车键可以换行，按下左右键可以移动光标。</p>
<p><strong>问题 2：按键怎么抽象？</strong></p>
<p>键盘上一般不超过 100 个键。因此我们可以考虑用一个 Byte 的数据来描述用户按下了什么键。按键有两个操作，一个是按下、一个是释放，这是两个不同的操作。对于一个 8 位的字节，可以考虑用最高位的 1 来描述按下还是释放的状态，然后后面的 7 位（0~127）描述具体按了哪个键。这样我们只要确定了用户按键/释放的顺序，对我们的系统来说，就不会有歧义。</p>
<p><strong>问题 3：如何处理按键？使用操作系统处理还是让每个程序自己实现？</strong></p>
<p>处理按键是一个通用程序，可以考虑由操作系统先进行一部分处理，比如：</p>
<ul>
<li>用户按下了回车键，先由操作系统进行统一的封装，再把按键的编码转换为字符串<code>Enter</code>方便各种程序使用。</li>
<li>处理组合键这种操作，由操作系统先一步进行计算比较好。因为底层只知道按键、释放，组合键必须结合时间因素判断。</li>
</ul>
<p>你可以把下面这种情况看作是一个<code>Ctrl + C</code>组合键，这种行为可以由操作系统进行统一处理，如下所示：</p>
<pre><code>按下 Ctrl
按下 C
释放 Ctrl
释放 C
</code></pre>
<p><strong>问题 4：程序用什么模型响应按键？</strong></p>
<p>当一个 Java 或者 JS 写的应用程序想要响应按键时，应该考虑消息模型。因为如果程序不停地扫描按键，会给整个系统带来很大的负担。比如程序写一个<code>while</code>循环去扫描有没有按键，开销会很大。 如果程序在操作系统端注册一个响应按键的函数，每次只有真的触发按键时才执行这个函数，这样就能减少开销了。</p>
<p><strong>问题 5：处理用户按键，需不需要打断正在执行的程序？</strong></p>
<p>从用户体验上讲，按键应该是一个高优先级的操作，比如用户按 Ctrl+C 或者 Esc 的时候，可能是因为用户想要打断当前执行的程序。即便是用户只想要输入，也应该尽可能地集中资源给到用户，因为我们不希望用户感觉到延迟。</p>
<p>如果需要考虑到程序随时会被中断，去响应其他更高优先级的情况，那么从程序执行的底层就应该支持这个行为，而且最好从硬件层面去支持，这样速度最快。 这就引出了本课时的主角——中断。具体如何处理，见下面我们关于中断部分的分析。</p>
<p><strong>问题 6：操作系统如何知道用户按了哪个键？</strong></p>
<p>这里有一个和问题 5 类似的问题。操作系统是不断主动触发读取键盘按键，还是每次键盘按键到来的时候都触发一段属于操作系统的程序呢？</p>
<p>显然，后者更节省效率。</p>
<p>那么谁能随时随地中断操作系统的程序？ 谁有这个权限？是管理员账号吗？ 当然不是，拥有这么高权限的应该是机器本身。</p>
<p>我们思考下这个模型，用户每次按键，触发一个 CPU 的能力，这个能力会中断正在执行的程序，去处理按键。那 CPU 内部是不是应该有处理按键的程序呢？这肯定不行，因为我们希望 CPU 就是用来做计算的，如果 CPU 内部有自带的程序，会把问题复杂化。这在软件设计中，叫作耦合。CPU 的工作就是专注高效的执行指令。</p>
<p>因此，每次按键，必须有一个机制通知 CPU。我们可以考虑用总线去通知 CPU，也就是主板在通知 CPU。</p>
<p><img src="assets/CgqCHl-ZTb2AThFmAACeKCyumpw628.png" alt="Lark20201028-185329.png" /></p>
<p>那么 CPU 接收到通知后，如何通知操作系统呢？CPU 只能中断正在执行的程序，然后切换到另一个需要执行的程序。说白了就是改变 PC 指针，CPU 只有这一种办法切换执行的程序。这里请你思考，是不是只有这一种方法：CPU 中断当前执行的程序，然后去执行另一个程序，才能改变 PC 指针？</p>
<p><img src="assets/CgqCHl-ZTcaAUGEwAAB9llc1vwo219.png" alt="Lark20201028-185317.png" /></p>
<p>接下来我们进一步思考，CPU 怎么知道 PC 指针应该设置为多少呢？是不是 CPU 知道操作系统响应按键的程序位置呢？</p>
<p>答案当然是不知道。</p>
<p>因此，我们只能控制 CPU 跳转到一个固定的位置。比如说 CPU 一收到主板的信息（某个按键被触发），CPU 就马上中断当前执行的程序，将 PC 指针设置为 0。也就是 PC 指针下一步会从内存地址 0 中读取下一条指令。当然这只是我们的一个思路，具体还需要进一步考虑。而操作系统要做的就是在这之前往内存地址 0 中写一条指令，比如说让 PC 指针跳转到自己处理按键程序的位置。</p>
<p>讲到这里，我们总结一下，CPU 要做的就是一看到中断，就改变 PC 指针（相当于中断正在执行的程序），而 PC 改变成多少，可以根据不同的类型来判断，比如按键就到 0。操作系统就要向这些具体的位置写入指令，当中断发生时，接管程序的控制权，也就是让 PC 指针指向操作系统处理按键的程序。</p>
<p>上面这个模型和实际情况还有出入，但是我们已经开始逐渐完善了。</p>
<p><strong>问题 7：主板如何知道键盘被按下?</strong></p>
<p>经过一层一层地深挖“如何设计响应键盘的整个链路？”这个问题，目前操作系统已经能接管按键，接下来，我们还需要思考主板如何知道有按键，并且通知 CPU。</p>
<p>你可以把键盘按键看作按下了某个开关，我们需要一个芯片将按键信息转换成具体按键的值。比如用户按下 A 键，A 键在第几行、第几列，可以看作一个电学信号。接着我们需要芯片把这个电学信号转化为具体的一个数字（一个 Byte）。转化完成后，主板就可以接收到这个数字（按键码），然后将数字写入自己的一个寄存器中，并通知 CPU。</p>
<p>为了方便 CPU 计算，CPU 接收到主板通知后，按键码会被存到一个寄存器里，这样方便处理按键的程序执行。</p>
<p>通过对以上 7 个问题的思考和分析，我们已经有了一个粗浅的设计，接下来就要开始整理思路了。</p>
<h3>思路的整理：中断的设计</h3>
<p>整体设计分成了 3 层，第一层是硬件设计、第二层是操作系统设计、第三层是程序语言的设计。</p>
<p><img src="assets/Ciqc1F-ZTdKAJxaRAABvzPwzEgU406.png" alt="Lark20201028-185322.png" /></p>
<p>按键码的收集，是键盘芯片和主板的能力。主板知道有新的按键后，通知 CPU，CPU 要中断当前执行的程序，将 PC 指针跳转到一个固定的位置，我们称为一次<strong>中断</strong>（<strong>interrupt</strong>）。</p>
<p>考虑到系统中会出现各种各样的事件，我们需要根据中断类型来判断PC 指针跳转的位置，中断类型不同，PC 指针跳转的位置也可能会不同。比如按键程序、打印机就绪程序、系统异常等都需要中断，包括在“<strong>14 课时</strong>”我们学习的系统调用，也需要中断正在执行的程序，切换到内核态执行内核程序。</p>
<p>因此我们需要把不同的中断类型进行分类，这个类型叫作<strong>中断识别码</strong>。比如按键，我们可以考虑用编号 16，数字 16 就是按键中断类型的识别码。不同类型的中断发生时，CPU 需要知道 PC 指针该跳转到哪个地址，这个地址，称为<strong>中断向量（Interupt Vector）。</strong></p>
<p>你可以考虑这样的实现：当编号 16 的中断发生时，32 位机器的 PC 指针直接跳转到内存地址 16*4 的内存位置。如果设计最多有 255 个中断，编号就是从 0~255，刚好需要 1K 的内存地址存储中断向量——这个 1K 的空间，称为<strong>中断向量表</strong>。</p>
<p>因此 CPU 接收到中断后，CPU 根据中断类型操作 PC 指针，找到中断向量。操作系统必须在这之前，修改中断向量，插入一条指令。比如操作系统在这里写一条<code>Jump</code>指令，将 PC 指针再次跳转到自己处理对应中断类型的程序。</p>
<p><img src="assets/CgqCHl-ZTd6AeCy8AACahXIwrgA950.png" alt="Lark20201028-185324.png" /></p>
<p>操作系统接管之后，以按键程序为例，操作系统会进行一些处理，包括下面的几件事情：</p>
<ol>
<li>将按键放入一个队列，保存下来。这是因为，操作系统不能保证及时处理所有的按键，比如当按键过快时，需要先存储下来，再分时慢慢处理。</li>
<li>计算组合键。可以利用按下、释放之间的时间关系。</li>
<li>经过一定计算将按键抽象成消息（事件结构或对象）。</li>
<li>提供 API 给应用程序，让应用程序可以监听操作系统处理后的消息。</li>
<li>分发按键消息给监听按键的程序。</li>
</ol>
<p>所以程序在语言层面，比如像 Java/Node.js 这种拥有虚拟机的语言，只需要对接操作系统 API 就可以了。</p>
<h3>中断的类型</h3>
<p>接下来我们一起讨论下中断的分类方法：</p>
<ul>
<li>按照中断的触发方分成<strong>同步中断和异步中断</strong>；</li>
<li>根据中断是否强制触发分成<strong>可屏蔽中断和不可屏蔽中断</strong>。</li>
</ul>
<p>中断可以由 CPU 指令直接触发，这种主动触发的中断，叫作<strong>同步中断</strong>。同步中断有几种情况。</p>
<ul>
<li>之前我们学习的系统调用，需要从用户态切换内核态，这种情况需要程序触发一个中断，叫作<strong>陷阱</strong>（Trap），中断触发后需要继续执行系统调用。</li>
<li>还有一种同步中断情况是错误（Fault），通常是因为检测到某种错误，需要触发一个中断，中断响应结束后，会重新执行触发错误的地方，比如后面我们要学习的缺页中断。</li>
<li>最后还有一种情况是程序的异常，这种情况和 Trap 类似，用于实现程序抛出的异常。</li>
</ul>
<p>另一部分中断不是由 CPU 直接触发，是因为需要响应外部的通知，比如响应键盘、鼠标等设备而触发的中断。这种中断我们称为<strong>异步中断</strong>。</p>
<p>CPU 通常都支持设置一个中断屏蔽位（一个寄存器），设置为 1 之后 CPU 暂时就不再响应中断。对于键盘鼠标输入，比如陷阱、错误、异常等情况，会被临时屏蔽。但是对于一些特别重要的中断，比如 CPU 故障导致的掉电中断，还是会正常触发。可以被屏蔽的中断我们称为<strong>可屏蔽中断，多数中断都是可屏蔽中断</strong>。</p>
<p>所以这里我们讲了两种分类方法，一种是同步中断和异步中断。另一种是可屏蔽中断和不可屏蔽中断。</p>
<h3>总结</h3>
<p>这节课我们通过探索式学习讨论了中断的设计。 通过一个问题，Java/JS 如何响应键盘按键，引出了 7 个问题的思考。通过探索这些问题，我们最终找到 了答案，完成了一次从硬件、内核到应用的完整设计。我想说的是，学习不是最终目的，长远来看我更希望你在学习的过程中得到成长，通过学习技能锻炼自己解决问题的能力。</p>
<p><strong>那么通过这节课的学习，你现在可以来回答本节关联的面试题目：Java/Js 等语言为什么可以捕获到键盘输入？</strong></p>
<p>老规矩，请你先在脑海里构思下给面试官的表述，并把你的思考写在留言区，然后再来看我接下来的分析。</p>
<p><strong>【解析】</strong> 为了捕获到键盘输入，硬件层面需要把按键抽象成中断，中断 CPU 执行。CPU 根据中断类型找到对应的中断向量。操作系统预置了中断向量，因此发生中断后操作系统接管了程序。操作系统实现了基本解析按键的算法，将按键抽象成键盘事件，并且提供了队列存储多个按键，还提供了监听按键的 API。因此应用程序，比如 Java/Node.js 虚拟机，就可以通过调用操作系统的 API 使用键盘事件。</p>
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