在學習進程控制相關知識之前，我們需要了解一個單進程的運行環境。

本章我們將了解一下的內容：

• 程序運行時，main函數是如何被調用的；
• 命令行參數是如何被傳入到程序中的；
• 一個典型的內存布局是怎樣的；
• 如何分配內存；
• 程序如何使用環境變量；
• 程序終止的各種方式；
• 跳轉（longjmp和setjmp）函數的工作方式，以及如何和棧交互；
• 進程的資源限制

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main函數聲明：

int main (int argc, char *argv[]);

參數說明：

• argc：命令行參數個數
• argv：指向參數列表數組的指針

main函數啟動前：

• C程序由內核執行，通過系統調用exec；
• main函數調用前，執行指定的啟動路徑（start-up routine）；
• 可執行文件認為此地址為程序的啟動地址，該地址由鏈接器指定；
• 啟動路徑從內核獲取參數列表和環境變量，使得main函數可以在稍后被調用時可以獲取這些變量。

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一共有8中終止進程的方式，5種正常終止和3種異常終止。

5種正常終止：

1. 從main函數返回；
2. 調用exit；
3. 調用_exit或_Exit；
4. 最后一個線程返回；
5. 最后一個線程調用pthread_exit。

3種異常終止：

1. 調用abort；
2. 接收到一個信號；
3. 最后一個線程應答或者一個接收到一個退出請求

啟動地址（start-up routine）同樣也是main函數的返回地址。

要獲取該地址，可以通過以下的方式：

exit (main(argc, argv));

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函數聲明：

#include <stdlib.h>

void exit(int status);

void _Exit(int status);

#include <unistd.h>

void _exit(int status);

函數細節：

• _exit和_Exit立刻返回到內核；
• exit函數返回內核前會進行一些清理環境工作；

返回一個整數和調用exit函數，并傳入該整數的作用是相同的：

exit(0);

return 0;

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函數聲明

#include <stdlib.h>

int atexit(void (*func)(void));

函數細節

• 每個進程可以注冊32個函數，這些函數可以在主函數調用exit時自動被調用
• 通過atexit注冊的退出時處理函數稱為退出句柄（exit handlers）
• 這些退出句柄的調用順序為注冊時的相反順序
• exit函數第一次調用退出句柄時，會關閉所有打開的流
• 如果主程序調用了exec系列函數，則所有注冊的退出句柄都會被清空

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#include "apue.h"

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static void my_exit1(void);

static void my_exit2(void);

?

int

main(void)

{

? ? if (atexit(my_exit2) != 0)

? ? ? ? err_sys("can't register my_exit2");

?

? ? if (atexit(my_exit1) != 0)

? ? ? ? err_sys("can't register my_exit1");

? ? if (atexit(my_exit1) != 0)

? ? ? ? err_sys("can't register my_exit1");

?

? ? printf("main is done/n");

? ? return(0);

}

?

static void

my_exit1(void)

{

? ? printf("first exit handler/n");

}

?

static void

my_exit2(void)

{

? ? printf("second exit handler/n");

}

?執行結果：

?

#include "apue.h"

?

int

main(int argc, char *argv[])

{

? ? int ? ? i;

?

? ? for (i = 0; i < argc; i++)? ? ? /* echo all command-line args */

? ? ? ? printf("argv[%d]: %s/n", i, argv[i]);

? ? exit(0);

}

執行結果：

?

?

每個程序會接受一個環境變量列表，該列表是一個數組，由一個數組指針指向，該數組指針類型為：

extern char **environ;

例如，如果環境變量里有5個字符串（C風格字符串），如下圖所示：

典型的C程序的內存布局如下圖所示：

上圖說明：

• 文本段（Text Segment），保存CPU將要執行的機器指令。文本段是可共享的，所以某個程序多次執行時，對應的文本段只需要在內存中存有一份拷貝。文本段是只讀的（read-only），防止程序的指令被修改。
• 已初始化數據段（initialized data segment），保存程序中被初始化的全局變量（定義在任何函數之外）。例如：int maxcount = 99; 全局變量變量maxcount被保存在初始化數據段。
• 未初始化數據段（uninitialized data segment），也被稱為BSS（block started by symbol），這個段中的數據在程序執行之前被內核初始化為0或者null。;例如定義一個全局變量（定義在任何函數之外），long sum[1000]; ?該變量保存在未初始化數據段中。
• 棧（Stack）：存儲臨時變量，函數相關信息。當一個函數被調用時，返回地址、調用者相關信息（如寄存器信息）會被保存在棧中。該被調用的函數會在棧上分配一部分空間保存它的臨時變量。函數的遞歸調用也是應用這個原理。每一次函數調用自己，都會保存當前函數的信息，然后再棧上開辟一個新的空間用于保存該次函數的信息，和以前的函數并沒有影響。
• 堆（Heap）：動態內存分配位置。堆的位置位于未初始化數據段和棧的中間。

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有三個函數可以用于內存分配:

• malloc：分配指定字節數的內存，未初始化。
• calloc：分配指定數目的對象大小的內存，內存初始化為0；
• realloc：增加或減小之前分配的內存。移動舊內存的內容到新的更大的內存塊，多余的部分內存未初始化。

函數聲明：

#include <stdlib.h>

void *malloc(size_t size);

void *calloc(size_t nobj, size_t size);

void *realloc(void *ptr, size_t newsize);

void free(void* ptr);

函數細節：

1. 三個函數返回的內存指針一定是內存對齊的，這樣可以用來保存于不同的對象；
2. free函數用于釋放ptr指向的內存，被分配的內存放入內存池中用于下次的內存分配；
3. realloc函數用于改變之前分配的內存的大小。比如運行時我們申請了一段內存用于存儲512個元素的數組，后來發現內存大小不夠，這時可以調用realloc。如果操作系統發現在當前內存的后面有足夠的內存，則直接分配多余的內存到當前內存中，然后返回傳入的指針（即直接擴展內存）。但是如果當前內存后面沒有足夠大小的空間，則系統重新分配一個足夠大的內存，將舊內存塊中得內容拷貝到新內存塊中，然后返回新內存的地址。
4. 內存分配函數使用系統調用sbrk來實現。該系統調用的作用是擴展進程的堆。
5. 一般實際分配的內存塊都比請求的要大，多出來的部分用來存儲內存塊大小、指向下一內存塊的指針等信息。寫覆蓋信息記錄區的錯誤是非常隱蔽而且嚴重的。

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環境變量的字符串形式：

name=value

?內核不關注環境變量，各種應用才會使用環境變量。

獲取環境變量值使用函數getenv。

#include <stdlib.h>

char* getenv(const char* name);

// Returns: pointer to value associated with name, NULL if not found

修改環境變量的函數：

#include <stdlib.h>

int putenv(char* str);

int setenv(const char* name, const char* value, int rewrite);

int unsetenv(const char* name);

?函數細節：

• 函數putenv傳入一個字符串，形式為name=value，加入到環境變量列表中。如果name已經存在，先刪除舊的定義。
• 函數setenv傳入一個name和一個value，如果name已經存在，則參數rewrite決定是否覆蓋舊的定義，如果rewrite為非零，則會覆蓋舊的定義。
• 函數unsetenv刪除name的定義，如果name不存在，也不報錯。?

?修改環境變量列表的過程是一件很有趣的事情

從上面的C程序內存布局圖中可以看到，環境變量列表（保存指向環境變量字符串的一組指針）保存在棧的上方內存中。

在該內存中，刪除一個字符串很簡單。我們只需要找到該指針，刪除該指針和該指針指向的字符串。

但是增加或修改一個環境變量困難得多。因為環境變量列表所在的內存往往在進程的內存空間頂部，下面是棧。所以該內存空間無法被向上或者向下擴展。

所以修改環境變量列表的過程如下所述：

• 如果我們修改一個已經存在的name：
• 如果新的value的大小比已經存在的value小或者相當，直接覆蓋舊的value；
• 如果新的value的大小比已經存在的value大，則我們必須為新的value malloc一個新的內存空間，拷貝新value到該內存中，替換指向舊value的指針為指向新value的指針。
• 如果我們新增一個環境變量：
• 首先我們需要調用malloc為字符串name=value分配空間，拷貝該字符串到目標內存中；
• 如果這是我們第一次添加環境變量，我們需要調用malloc分配一個新的空間，拷貝老的環境量列表到新的內存中，并在列表后新增目標環境變量。然后我們設置environ指向新的環境變量列表。
• 如果這不是我們第一次新增環境變量，則我們只需要realloc多分配一個環境變量的空間，新增的環境變量保存在列表尾部，列表最后仍然是一個null指針。

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本篇介紹了進程的啟動和退出、內存布局、環境變量列表和環境變量的修改。

下一篇將接著學習四個函數setjmp、longjmp、getrlimit和setrlimit。

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參考資料：

《Advanced Programming in the UNIX Envinronment 3rd》