在學(xué)習(xí)進(jìn)程控制相關(guān)知識(shí)之前，我們需要了解一個(gè)單進(jìn)程的運(yùn)行環(huán)境。

本章我們將了解一下的內(nèi)容：

• 程序運(yùn)行時(shí)，main函數(shù)是如何被調(diào)用的；
• 命令行參數(shù)是如何被傳入到程序中的；
• 一個(gè)典型的內(nèi)存布局是怎樣的；
• 如何分配內(nèi)存；
• 程序如何使用環(huán)境變量；
• 程序終止的各種方式；
• 跳轉(zhuǎn)（longjmp和setjmp）函數(shù)的工作方式，以及如何和棧交互；
• 進(jìn)程的資源限制

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main函數(shù)聲明：

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

參數(shù)說(shuō)明：

• argc：命令行參數(shù)個(gè)數(shù)
• argv：指向參數(shù)列表數(shù)組的指針

main函數(shù)啟動(dòng)前：

• C程序由內(nèi)核執(zhí)行，通過(guò)系統(tǒng)調(diào)用exec；
• main函數(shù)調(diào)用前，執(zhí)行指定的啟動(dòng)路徑（start-up routine）；
• 可執(zhí)行文件認(rèn)為此地址為程序的啟動(dòng)地址，該地址由鏈接器指定；
• 啟動(dòng)路徑從內(nèi)核獲取參數(shù)列表和環(huán)境變量，使得main函數(shù)可以在稍后被調(diào)用時(shí)可以獲取這些變量。

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一共有8中終止進(jìn)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(shù)返回；
2. 調(diào)用exit；
3. 調(diào)用_exit或_Exit；
4. 最后一個(gè)線程返回；
5. 最后一個(gè)線程調(diào)用pthread_exit。

3種異常終止：

1. 調(diào)用abort；
2. 接收到一個(gè)信號(hào)；
3. 最后一個(gè)線程應(yīng)答或者一個(gè)接收到一個(gè)退出請(qǐng)求

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

要獲取該地址，可以通過(guò)以下的方式：

exit (main(argc, argv));

?

函數(shù)聲明：

#include <stdlib.h>

void exit(int status);

void _Exit(int status);

#include <unistd.h>

void _exit(int status);

函數(shù)細(xì)節(jié)：

• _exit和_Exit立刻返回到內(nèi)核；
• exit函數(shù)返回內(nèi)核前會(huì)進(jìn)行一些清理環(huán)境工作；

返回一個(gè)整數(shù)和調(diào)用exit函數(shù)，并傳入該整數(shù)的作用是相同的：

exit(0);

return 0;

?

函數(shù)聲明

#include <stdlib.h>

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

函數(shù)細(xì)節(jié)

• 每個(gè)進(jìn)程可以注冊(cè)32個(gè)函數(shù)，這些函數(shù)可以在主函數(shù)調(diào)用exit時(shí)自動(dòng)被調(diào)用
• 通過(guò)atexit注冊(cè)的退出時(shí)處理函數(shù)稱(chēng)為退出句柄（exit handlers）
• 這些退出句柄的調(diào)用順序?yàn)樽?cè)時(shí)的相反順序
• exit函數(shù)第一次調(diào)用退出句柄時(shí)，會(huì)關(guān)閉所有打開(kāi)的流
• 如果主程序調(diào)用了exec系列函數(shù)，則所有注冊(cè)的退出句柄都會(huì)被清空

?

?

#include "apue.h"

?

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(zhí)行結(jié)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(zhí)行結(jié)果：

?

?

每個(gè)程序會(huì)接受一個(gè)環(huán)境變量列表，該列表是一個(gè)數(shù)組，由一個(gè)數(shù)組指針指向，該數(shù)組指針類(lèi)型為：

extern char **environ;

例如，如果環(huán)境變量里有5個(gè)字符串（C風(fēng)格字符串），如下圖所示：

典型的C程序的內(nèi)存布局如下圖所示：

上圖說(shuō)明：

• 文本段（Text Segment），保存CPU將要執(zhí)行的機(jī)器指令。文本段是可共享的，所以某個(gè)程序多次執(zhí)行時(shí)，對(duì)應(yīng)的文本段只需要在內(nèi)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(shù)據(jù)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(shù)之外）。例如：int maxcount = 99; 全局變量變量maxcount被保存在初始化數(shù)據(jù)段。
• 未初始化數(shù)據(jù)段（uninitialized data segment），也被稱(chēng)為BSS（block started by symbol），這個(gè)段中的數(shù)據(jù)在程序執(zhí)行之前被內(nèi)核初始化為0或者null。;例如定義一個(gè)全局變量（定義在任何函數(shù)之外），long sum[1000]; ?該變量保存在未初始化數(shù)據(jù)段中。
• 棧（Stack）：存儲(chǔ)臨時(shí)變量，函數(shù)相關(guān)信息。當(dāng)一個(gè)函數(shù)被調(diào)用時(shí)，返回地址、調(diào)用者相關(guān)信息（如寄存器信息）會(huì)被保存在棧中。該被調(diào)用的函數(shù)會(huì)在棧上分配一部分空間保存它的臨時(shí)變量。函數(shù)的遞歸調(diào)用也是應(yīng)用這個(gè)原理。每一次函數(shù)調(diào)用自己，都會(huì)保存當(dāng)前函數(shù)的信息，然后再棧上開(kāi)辟一個(gè)新的空間用于保存該次函數(shù)的信息，和以前的函數(shù)并沒(méi)有影響。
• 堆（Heap）：動(dòng)態(tài)內(nèi)存分配位置。堆的位置位于未初始化數(shù)據(jù)段和棧的中間。

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有三個(gè)函數(shù)可以用于內(nèi)存分配:

• malloc：分配指定字節(jié)數(shù)的內(nèi)存，未初始化。
• calloc：分配指定數(shù)目的對(duì)象大小的內(nèi)存，內(nèi)存初始化為0；
• realloc：增加或減小之前分配的內(nèi)存。移動(dòng)舊內(nèi)存的內(nèi)容到新的更大的內(nèi)存塊，多余的部分內(nèi)存未初始化。

函數(shù)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(shù)細(xì)節(jié)：

1. 三個(gè)函數(shù)返回的內(nèi)存指針一定是內(nèi)存對(duì)齊的，這樣可以用來(lái)保存于不同的對(duì)象；
2. free函數(shù)用于釋放ptr指向的內(nèi)存，被分配的內(nèi)存放入內(nèi)存池中用于下次的內(nèi)存分配；
3. realloc函數(shù)用于改變之前分配的內(nèi)存的大小。比如運(yùn)行時(shí)我們申請(qǐng)了一段內(nèi)存用于存儲(chǔ)512個(gè)元素的數(shù)組，后來(lái)發(fā)現(xiàn)內(nèi)存大小不夠，這時(shí)可以調(diào)用realloc。如果操作系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)在當(dāng)前內(nèi)存的后面有足夠的內(nèi)存，則直接分配多余的內(nèi)存到當(dāng)前內(nèi)存中，然后返回傳入的指針（即直接擴(kuò)展內(nèi)存）。但是如果當(dāng)前內(nèi)存后面沒(méi)有足夠大小的空間，則系統(tǒng)重新分配一個(gè)足夠大的內(nèi)存，將舊內(nèi)存塊中得內(nèi)容拷貝到新內(nèi)存塊中，然后返回新內(nèi)存的地址。
4. 內(nèi)存分配函數(shù)使用系統(tǒng)調(diào)用sbrk來(lái)實(shí)現(xiàn)。該系統(tǒng)調(diào)用的作用是擴(kuò)展進(jìn)程的堆。
5. 一般實(shí)際分配的內(nèi)存塊都比請(qǐng)求的要大，多出來(lái)的部分用來(lái)存儲(chǔ)內(nèi)存塊大小、指向下一內(nèi)存塊的指針等信息。寫(xiě)覆蓋信息記錄區(qū)的錯(cuò)誤是非常隱蔽而且嚴(yán)重的。

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環(huán)境變量的字符串形式：

name=value

?內(nèi)核不關(guān)注環(huán)境變量，各種應(yīng)用才會(huì)使用環(huán)境變量。

獲取環(huán)境變量值使用函數(shù)getenv。

#include <stdlib.h>

char* getenv(const char* name);

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

修改環(huán)境變量的函數(shù)：

#include <stdlib.h>

int putenv(char* str);

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

int unsetenv(const char* name);

?函數(shù)細(xì)節(jié)：

• 函數(shù)putenv傳入一個(gè)字符串，形式為name=value，加入到環(huán)境變量列表中。如果name已經(jīng)存在，先刪除舊的定義。
• 函數(shù)setenv傳入一個(gè)name和一個(gè)value，如果name已經(jīng)存在，則參數(shù)rewrite決定是否覆蓋舊的定義，如果rewrite為非零，則會(huì)覆蓋舊的定義。
• 函數(shù)unsetenv刪除name的定義，如果name不存在，也不報(bào)錯(cuò)。?

?修改環(huán)境變量列表的過(guò)程是一件很有趣的事情

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

在該內(nèi)存中，刪除一個(gè)字符串很簡(jiǎn)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(gè)環(huán)境變量困難得多。因?yàn)榄h(huán)境變量列表所在的內(nèi)存往往在進(jìn)程的內(nèi)存空間頂部，下面是棧。所以該內(nèi)存空間無(wú)法被向上或者向下擴(kuò)展。

所以修改環(huán)境變量列表的過(guò)程如下所述：

• 如果我們修改一個(gè)已經(jīng)存在的name：
• 如果新的value的大小比已經(jīng)存在的value小或者相當(dāng)，直接覆蓋舊的value；
• 如果新的value的大小比已經(jīng)存在的value大，則我們必須為新的value malloc一個(gè)新的內(nèi)存空間，拷貝新value到該內(nèi)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(gè)環(huán)境變量：
• 首先我們需要調(diào)用malloc為字符串name=value分配空間，拷貝該字符串到目標(biāo)內(nèi)存中；
• 如果這是我們第一次添加環(huán)境變量，我們需要調(diào)用malloc分配一個(gè)新的空間，拷貝老的環(huán)境量列表到新的內(nèi)存中，并在列表后新增目標(biāo)環(huán)境變量。然后我們?cè)O(shè)置environ指向新的環(huán)境變量列表。
• 如果這不是我們第一次新增環(huán)境變量，則我們只需要realloc多分配一個(gè)環(huán)境變量的空間，新增的環(huán)境變量保存在列表尾部，列表最后仍然是一個(gè)null指針。

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本篇介紹了進(jìn)程的啟動(dòng)和退出、內(nèi)存布局、環(huán)境變量列表和環(huán)境變量的修改。

下一篇將接著學(xué)習(xí)四個(gè)函數(shù)setjmp、longjmp、getrlimit和setrlimit。

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參考資料：

《Advanced Programming in the UNIX Envinronment 3rd》