为什么在C语言中清除中断标志会导致段错误？

Question

我正在学习汇编语言和C语言的基础知识。为了学习目的，我决定编写一个简单的程序来禁用中断，当用户想在控制台输入内容时，无法实现：

#include <stdio.h>
int main(){
    int a;
    printf("enter your number : ");
    asm ("cli");
    scanf("%d", &a);
    printf("your number is %d\n" , a);     
    return 0;
}

但是当我使用GCC进行编译时，出现了分段错误：

Segmentation fault (core dumped)

当我使用gdb调试时，当程序到达asm("cli");一行时，我得到了这个消息：

Program received signal SIGSEGV, Segmentation fault.
main () at cli.c:6
6       asm ("cli");

- mojibuntu

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据我所知，用户模式无法调用它。只有内核模式驱动程序才能清除中断标志。 - bkausbk

奇怪的错误，顺便说一句，我期望看到的是非法指令而不是SIGSEGV。 - PMF

@bkausbk：实际上，Linux有一个iopl系统调用，可以让你提高特权级别并从用户空间进程中禁用中断。虽然这可能是个可怕的想法，但并不被支持。 - Peter Cordes

@PMF：SIGILL仅用于指令解码错误。SIGSEGV是特权指令以及访问未映射内存的总称。 - Peter Cordes

Answer 1

这是因为用户空间程序无法禁用中断。所有中断都在内核控制下。您需要从内核空间进行操作。在此之前，您需要先学习内核内部，并且根据我的了解，处理中断非常关键，需要更多的内核知识。

您需要编写一个可以通过 /dev/（或其他）接口与用户空间交互的内核模块。用户空间代码应请求内核模块禁用中断。

- Chinna

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谢谢。我不知道这个。你能给我一些入门资源吗？ - mojibuntu

@mojibuntu 我正在给我的答案添加描述。 - Chinna

Answer 2

cli是一条特权指令。如果当前程序或过程的CPL（代码特权级）比IOPL（I/O特权级）低，则会引发#GP(0)异常。这个#GP异常导致Linux向您的进程发送SIGSEGV信号。

在Linux下，您可以进行一个iopl(3)系统调用，将您的IO特权级提高到与您的环 3 CPL相匹配，然后您就可以在用户空间禁用中断。（但不要这样做，据我所知，这不受支持。 iopl 的预期使用情况是在用户空间使用高端口号的in和out指令，而不是cli/sti。x86恰好对两者都使用相同的权限。）

如果您不立即重新启用中断，甚至在重新启用中断后，您的系统可能会崩溃。或者至少会在多核系统上损坏CPU。基本上，除非您准备按下重置按钮，即关闭X11，保存文件并运行sync，否则不要这样做。还要将文件系统重新挂载为只读。

或者在像BOCHS这样的虚拟机或模拟器中尝试它，即使中断被禁用，也可以使用调试器打断点。或者尝试从USB驱动器引导。

请注意，禁用中断仅禁用外部中断。像int $0x80这样的软件生成的中断仍然会被执行，但是在禁用中断的情况下进行系统调用可能是一个更糟糕的想法。（它可能会起作用，但是内核会保存/恢复EFLAGS，因此它可能不会返回到用户空间并重新启用中断。）但是，长时间禁用中断对于中断延迟来说是一件坏事。

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如果你作为初学者想要尝试禁用中断，那么你应该从一个使用BIOS调用来进行I/O操作的玩具引导扇区程序中进行。或者，如果你好奇为什么要这样做，可以查看Linux内核源代码中一些禁用/启用中断的地方。

在我看来，“普通”的用户空间汇编语言已经足够有趣了。通过性能计数器，你可以看到CPU如何解码和执行指令的细节。请参见x86标签维基中的链接，获取手册、指南和性能调整信息。

- Peter Cordes