(五) 一起学 APUE 之 进程环境

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本章前半部分讨论进程的开始和结束，后半部分讨论参数列表、环境变量、C 程序虚拟地址空间布局等内容。终于是一章原理比较多的章节了。

注意，本系列博文所说的某章并非是博文标题上的标号，而是指 《APUE》 第三版的章节号。

1.main() 函数

1 int main (int argc, char *argv[]);
2 
3 int main (int argc, char **argv);

 main() 函数大家一定再熟悉不过了，从写 Hello World! 的时候开始，第一个接触的 C 语言函数就是它。

那时候只知道照着书上的函数原型把它抄下来，然后拿到 Turbo C 上面去运行，执行出结果了还很兴奋。但是却完全不知道 man() 函数上的两个参数表示什么意思，也不知道程序是如何运行起来的。

其实最早的 main 函数是三个参数的，除了 argc 和 argv 以外，还有一个环境变量。后来发现环境变量越来越好用，所以就独立出来成了单独的功能。

2.进程终止

Linux 系统一共有 8 种进程终止方式，其中 5 种为正常终止方式：

1）从 main() 函数返回；

2）调用 exit(3) 函数；

3）调用 _exit(2) 或 _Exit(2) 函数；

4）最后一个线程从其启动例程返回；

5）从最后一个线程调用 pthread_exit(3) 函数。

剩下的 3 种为异常终止方式：

6）调用 abort(3) 函数；

7）接收到一个信号；

8）最后一个线程对取消请求作出响应。

小伙伴们一定要把这八种进程终止方式背下来，对于我们后面学习信号、多进程和多线程是有好处的。

下面我们来逐条解释一下：

第 1 条：在 main() 函数中执行 return 语句，可以将一个 int 值作为程序的返回值返回给调用者，一般是 shell。返回 0 表示程序正常结束，返回 非零值 表示程序异常结束。

第 2 条：在 main() 函数中执行 return 语句相当于调用 exit(3) 函数，exit(3) 是专门用于结束进程的，它依赖于 _exit(2) 或 _Exit(2) 系统调用。程序中任何地方调用 exit(3) 都会退出，但 return 语句只有在 main() 函数中才能结束进程，在其它函数中执行 return 语句只能退出当前函数。

第 3 条：_exit(2) 和 _Exit(2) 函数都是系统调用，在程序中的任何地方调用它们程序都会立即结束。

上面三条有两点需要大家注意，我先把问题提出来大家思考一下，下面会有讲解：

　　(1) return 、exit(3)、_exit(2) 和 _Exit(2) 的返回值取值范围是多少呢？

　　(2) exit(3)、_exit(2) 和 _Exit(2) 之间有什么区别呢？

第 4、5 条 等到第 11 章我们讨论线程的时候再说，总之进程就是线程的容器，最后一个线程的退出会导致整个进程的消亡。

第 6 条：abort(3) 函数一般用在程序中出现了不可预知的错误时，为了避免异常影响范围扩大，直接调用 abort(3) 函数自杀。实际上 abort(3) 函数也是通过信号实现的。

第 7 条：信号有很多种，有些默认动作是被忽略的，有些默认动作则是杀死进程。

　　比如程序接收到 SIGINT（Ctrl+C） 信号就会结束，Ctrl + C 是 SIGINT 的一个快捷方式，而不是 Ctrl + C 触发了 SIGINT 信号。

　　到第 10 章我们会详细的讨论信号。

第 8 条 也要等到第 11 章我们讨论线程的时候再详细说。

3.exit(2)

1 exit - cause normal process termination
2 
3 #include <stdlib.h>
4 
5 void exit(int status);

 status 参数的取值范围并非是所有 int 的取值范围，计算方法是 status & 0377，也就相当于一个有符号的 char 型数据，取值范围是 -128～127，最多256种可能。

所有通过 atexit(3) 和 on_exit(3) 注册的函数会被以注册的逆序来调用。

它在执行完钩子函数之后再执行IO清理，然后才使进程结束。

4.atexit(3)

1 atexit - register a function to be called at normal process termination
2 
3 #include <stdlib.h>
4 
5 int atexit(void (*function)(void));

用该函数注册过的函数会在程序正常终止之前被调用，被注册的函数称为“钩子函数”。

注册的钩子函数形式必须是这样：void (*function)(void)，因为它不会接收任何参数，也没有任何机会返回什么值，所以是一个无参数无返回值的函数。

当多次调用 atexit(3) 函数注册了多个钩子函数的时候，程序结束时钩子函数是以注册的逆序被调用的。

比如按照 a()、b()、c()、d() 的形式注册了 4 个钩子函数，那么程序结束时，它们的调用顺序是：d()、c()、b()、a()。

下面举个栗子来说明这个逆序调用是怎么回事。

 1 #include <stdio.h>
 2 #include <stdlib.h>
 3 
 4 void f1 (void)
 5 {
 6     puts("f1");
 7 }
 8 
 9 void f2 (void)
10 {
11     puts("f2");
12 }
13 
14 void f3 (void)
15 {
16     puts("f3");
17 }
18 
19 int main (void)
20 {
21     puts("Begin!");
22 
23     atexit(f1); // 只是声明一个函数，相当于把一个函数挂在钩子上，并不调用
24     atexit(f2);
25     atexit(f3);
26 
27     puts("End!");
28 
29     exit(0);
30 }

编译并运行测试：

1 >$ gcc -Wall atexit.c -o atexit
2 >$ ./atexit 
3 Begin!
4 End!
5 f3
6 f2
7 f1
8 >$

这回小伙伴们明白逆序调用是怎么回事了吧。

为什么 "End!" 先输出了，而 "f3" 后输出了呢？因为使用 atexit(3) 函数注册钩子函数的时候并不会调用钩子函数，仅仅是注册而已，只有在程序正常结束的时候钩子函数才会被调用。

还记得我们上面提到的什么情况是正常结束吧？注意是只有正常结束才会调用钩子哟，异常结束是不会调用钩子函数的。

下面写几段伪代码来举栗子说明一下什么场景更适合使用钩子函数。

 1 /*
 2  * 这段代码要表现的是，当我们的程序需要申请很多资源的时候，
 3  * 比如打开文件、申请堆内存等。
 4  * 如果有一个资源申请失败时需要释放之前所有成功申请的资源并退出程序，
 5  * 那么就需要在申请每个资源之后都进行错误判断，并手工填写所有的资源释放代码。
 6  * 假如要申请的资源数量很庞大，而恰巧加班又加得老眼昏花
 7  * 结果手一抖，后果。。。 @...@
 8  */
 9 fd0 = open("", "");
10 if (fd0 < 0) {
11     perror("open(0)");
12     exit(1);
13 }
14 
15 fd1 = open("", "");
16 if (fd1 < 0) {
17     perror("open(1)");
18     close(fd0);
19     exit(1);
20 }
21 
22 fd2 = open("", "");
23 if (fd2 < 0) {
24     perror("open(1)");
25     close(fd2);
26     close(fd1);
27     exit(1);
28 }
29 
30 ......
31 
32 fd10000 = open("", "");
33 if (fd10000 < 0) {
34     perror("open(10000)");
35     close(fd9999);
36     ......
37     close(fd3);
38     close(fd2);
39     close(fd1);
40     close(fd0);
41     exit(1);
42 }

上面这种写法是不是太恐怖了，这还只是打开文件而已，如果中间有夹杂着 malloc(3) 和 free(3) 呢？想都不敢想了。。

其实想要解决也很简单，钩子函数帮你轻松搞定！下面是改版之后的伪代码：

 1 fd0 = open("", "");
 2 if (fd0 < 0) {
 3     perror("open(0)");
 4     exit(1);
 5 }
 6 atexit(closefd0); // 一切都交给钩子函数来处理吧，它会以注册顺序的逆序逐一被调用。
 7 
 8 fd1 = open("", "");
 9 if (fd1 < 0) {
10     perror("open(1)");
11     exit(1);
12 }
13 atexit(closefd1);
14 
15 fd2 = open("", "");
16 if (fd2 < 0) {
17     perror("open(1)");
18     exit(1);
19 }
20 atexit(closefd2);
21 
22 ......
23 
24 fd10000 = open("", "");
25 if (fd10000 < 0) {
26     perror("open(10000)");
27     exit(1);
28 }
29 atexit(closefd2);

有木有顿时觉得清爽多了，也不容易出现错误了。 

5._exit(2)、_Exit(2)

1 _exit, _Exit - terminate the calling process
2 
3 #include <unistd.h>
4 
5 void _exit(int status);
6 
7 #include <stdlib.h>
8 
9 void _Exit(int status);

在程序的任何地方调用 _exit(2) 或 _Exit(2) 函数程序都会立即结束，任何钩子函数都不会被调用。

_exit(2)、_Exit(2) 与 exit(3) 的区别就是 _exit(2) 和 _Exit(2) 函数不会调用钩子函数，也不会做 IO 清理。

那么什么时候该用 exit(3)，什么时候该用 _exit(2)、_Exit(2) 呢？

下面我们写一段伪代码来查看 _exit(2) 函数的常用场景。

 1 int function (.........)
 2 {
 3     if ()
 4         return 0;
 5     if ()
 6         return 1;
 7     else
 8         return 2;
 9 }
10 
11 int main (void)
12 {
13     int ret = 0;
14 
15     ret = function();
16 
17     ...... // 假定没有任何地方修改过 ret
18 
19     switch(ret) {
20         case 0:
21             ...
22             break;
23         case 1:
24             ...
25             break;
26         case 2:
27             ...
28             break;
29         default:
30             // 出现这种情况的时候一定是上面的代码出现了逻辑问题，或程序中出现了越界等问题，所以不能调用钩子函数执行清理了。为了防止故障扩散，一定要让程序立即结束。
31             //exit(1);
32             _exit(1);
33     }
34 
35     exit(0);
36 }

6.命令行参数

我们在使用 shell 命令的时候经常为传递各种参数来完成不同的工作。这个参数实际上就是传递到程序 main() 函数的 argc 和 argv 两个参数中去了。 

我们再来看一下 main() 函数的原型：

1 int main (int argc, char **argv);

参数列表：

　　argc：argv 中字符串的数量，也就是传递给程序的命令行参数的数量。

　　argv：在 shell 中传递给进程的命令行参数列表，argv[0] 永远是命令本身，第一个参数从 argv[1] 开始。

　　　　这是一个二维数组，其实就是一个字符串数组而已。很多童鞋不理解它为什么是一个二维数组，说明你的 C 语言基础没有学好。

　　　　字符串本身就是一个 char 数组，而保存多个字符串的数组自然就是一个 char 型二维素组了。

常见的命令行参数分类：

>$ cmd [opt] [!opt]
>$ ls # 无参数
>$ ls -l -a -i  # 仅选项

>$ ls /etc/ /tmp  # 非选项传参
>$ ls -l /tmp -a /etc
>$ ./myplayer -H 500 -W 500 a.avi # 选项带参数
>$ ./myplayer -H -W a.avi # 假设 H 和 W 选项必须带参数，这样传惨会报错，因为找不到任何参数修饰 -H 和 -W
>$ cmd [opt opt-arg] [!opt]

>$ ./myplayer -H 100 px -W 500 cm a.avi # 选项带参数，参数又带参数，这种没有函数能搞定，只能自己写函数解析了。

选项分为两种形式，一种是以 - 开头的短格式选项，只能是一个字母或一个数字；

另一种是长格式选项，以 -- 开头，可以由多个字母和数字组成。

短格式最多支持 26个小写字母+26个大写字母+10个数字，共 62 个选项。这些选项足够一个程序的使用了，为什么还需要长格式的选项呢？

使用长格式选项是为了便于使用者记忆，辅助短格式参数的使用。如果有一些单词的缩写碰撞了或者不容易记忆，则可以选用长格式的参数。

这些命令行参数可以随意松散的传给命令，那么命令是如何解析这些参数的呢？别着急，其实已经有优秀的库函数供我们使用了。

getopt(3)

1 getopt, optind - Parse command-line options
2 
3 #include <unistd.h>
4 
5 int getopt(int argc, char * const argv[], const char *optstring);
6 
7 extern int optind;

该函数用于解析短格式参数。

参数列表：

　　argc、argv：就是 main() 函数的 argc 和 argv 参数；

　　optstring：想要从 argv 中解析的所有选项列表，不用加 - 前导符；例如程序支持 -y -m -d -h -M -s 参数，则 optstring 填写 "y:mdh:Ms" 即可。

加冒号表示某个选项后面要带参数，比如 y 和 h 后面都需要带参数，需要用到全局变量：

1 extern char *optarg;
2 
3 extern int optind;

optarg：表示选项后面的参数，也就是 -y 和 -h 后面的参数。例如：-y 4 -h 24。
optind：用于记录 getopt(3) 函数目前读到了 argv 的哪个下标。

下面伪代码演示了如何解析选项以及带参的选项：

 1 while (1)
 2 
 3 {
 4 
 5 　　op = getopt(argc, argv, "y:mdh:Ms"); // 支持的选项是 -y <2|4> -m -d -h <12|24> -M -s
 6 
 7 　　if (op < 0) {
 8 
 9 　　　　break;
10 
11 　　}
12 
13 　　switch (op) {
14 
15 　　　　case 1: // 非选项传参，op 的值为 1
16 
17 　　　　　　// >$ ls /etc/ -a
18 
19 　　　　　　// 当进入这个 case 的时候，optind 已经 +1 了，所以想要通过 optind 在 argv 中得到对应的参数应，应该进行 -1，但是不要去修改 optind 本身的值，否则下次读取就不准确了。
20 
21 　　　　　　fp = fopen(argv[optind-1], "w");
22 
23 　　　　　　......
24 
25 　　　　　　break;
26 
27 　　　　case ‘y‘:
28 
29 　　　　　　　if (0 == strcmp(optarg, "2")) { // y 后面的参数是 2
30                 ......
31 　　　　　　　　} else if (0 == strcmp(optarg, "4")) { // y 后面的参数是 4
32                 ......
33 　　　　　　　　} else { // y 后面的参数即不是 2 也不是 4
34                 ......
35 　　　　　　　　}
36 
37 　　　　　　break;
38 
39 　　　　case ‘m‘:
40 
41 　　　　　　break;
42 
43 　　　　......
44 
45 　　　　default:
46 
47 　　　　　　// 通常传入了不支持的参数，不响应就可以了，没必要结束程序，因为没有达到那种严重的程度。
48 
49 　　　　　　break;
50 
51 　　}
52 
53 }

参数可以连写，但带参数的选项必须和参数是挨着的，不能分开，举几个栗子：

 1 # 1. -x -z -v -f 可以连写
 2 # 2. -x -z -v 是不带参数的选项，-f 是带参数的选项，所以 -f 必须和后面的参数挨着
 3 tar -xzvf xxx.tar.gz /home
 4 
 5 # 下面这几个是错误的用法
 6 tar -fxzv xxx.tar.gz /home
 7 tar -xzvfxxxtar.gz /home
 8 tar fxxxtar.gzxzvf /home
 9 
10 # 下面这种用法是可以的
11 tar -f xxx.tar.gz -xzv /home

getopt_long(3) 用于解析长格式参数，函数原型就不列出来了。

关于命令行参数要再补充一点，经常拷运维人员的一道面试题大概是这样的：如何使用 touch(1) 命令在当前目录创建一个名字叫做 -a 的文件？

通常有两个办法可以实现：

1) touch -- -a      当命令行遇到两个 - 和空格时(-- )，会认为后面不会有任何选项，也就不会将 - 再作为参数的前导符。

2) touch ./-a       ./ 表示当前目录

7.环境表

export(1) 命令可以查看当前所有的环境变量或设置某个环境变量。

环境表就是将环境变量保存在了一个字符指针数组中，很多 Unix 系统都支持三个参数的 main() 函数，第三个参数就是环境表。

环境变量是为了保存常用的数据。以当前 terminal 为例，把 terminal 当作是一个大的程序来跑，就可以将环境变量看作是这个程序的全局变量。

环境变量相当于在某个位置声明 extern char **environ;

上面说了，环境表就是一个字符指针数组，所以使用环境变量就相当于 environ[i] - >name=value;

8.C 程序的存储空间布局

malloc(3) 失败有两种情况，一种是内存真的耗尽了，另一种是不断的申请内存，即使堆上全部存放指针也有放满了的情况。

延时分配内存，当 malloc(3) 分配内存时，并没有真正的分配物理内存给你，只是给了你一个非空指针，当你真正的使用内存的时候通过引发一个缺页异常内核才真正分配内存给你。

好比有人给你借100块钱，你也承诺了可以借，但是并不马上要，但是当他跟你要的时候你已经花掉了50块钱，这时候你有两个选择，1 把借钱的人杀掉，这样就不用借钱给他了；2 去抢钱，抢够了足够的钱再给他。

内核采用的是第二种方式，当它发现内存不足够他承诺给你的容量时，它会结束某些不常用的后台进程将释放出来的内存分配给你。

见图

pmap(1) 命令可以查看进程的内存分配情况，查看的必须是正在运行的进程。 

9.共享库

类似于插件，一个模块失败不会影响其它模块。

比如系统启动的时候，ftp 服务、DHCP 等服务启动未成功，系统会继续启动其它服务，而不会立即关机。

否则如果因为 ftp 服务启动失败就关机，那么想要修复 ftp 服务需要先开机，而开机需要成功启动 ftp 服务，那么系统就无法启动了。

内核中任何一个模块的加载都要以插件的形式运行，即尝试加载，即使加载失败也不能影响其它模块。

dlopen(filename, flag)

filename 加载的共享库文件路径

flag 打开方式

man 手册中有使用示例。

10.存储空间分配

理论性的内容详细见 P165

11.环境变量

getenv(3)

通过 name 获得 value

使用 ls(1) 命令的时候是在任何位置都可以使用的，而没有用 /bin/ls 的方式来使用 ls(1)，是因为有 PATH 环境变量的存在，它会保存所有常用的可执行文件的路径。

puts(getevn("PWD")); // 通过环境变量获取当前路径，也可以使用 getcwd(3) 函数获得当前路径。

setenv(3)

将 value 赋给 name 环境变量。

如果 name 不存在，则添加新的环境变量。

如果 name 存在，如果 overwrite 为真，就用 value 覆盖 name 原来的值；如果 overwrite 为假则保留 name 原来的值。

putenv(3) 用 "name=value" 的形式添加或修改环境变量的值。如果 name 已存在则会用新值覆盖原来的值。参数不是 const 的，所以某些情况下可能会修改参数的值，所以还是使用 setenv(3) 更保险。

无论新的值与原来的值谁长谁短，会将原来的空间释放，在堆上新申请一块空间来存放新的值。

12.函数 setjmp(3) 和 longjmp(3)

见图，如果 a() b() c() d() 是同一个函数，则是递归调用。

例如当利用递归在一个树状结构中查找一个数据时，查找到最深的层次发现找到了没有找到想要的数据，这时候没有必要再一层一层的返回了，可以直接跳转回递归点。goto是做不到的，需要用 setjmp(3)或longjmp(3)函数安全的返回。

通过 setjmp(3) 设置一个跳转点，然后可以通过 longjmp(3) 跳转到 setjmp(3) 所在的位置。

setjmp(3) 设置跳转点时返回值为0，被跳转过来时返回值为非零，也就是 longjmp(3) 的 val 参数。

下面一定跟着一组分支语句来根据不同的返回值做不同的操作。

longjmp(3) 无需返回值，因为执行的时候程序已经跳转了，无法获得返回值了。

参数列表：

env： 是指定条准到哪

val：带回去的值，如果值为 0，则 setjmp(3) 收到的返回值是 1，避免跳转出现死循环。

代码见 aupe/env/jmp.c

13.函数 getrlimit(2) 和 setrlimit(2)

ulimit(1) 命令就是使用这两个函数封装的。

getrlimit(2) 获取 resource 资源，并且把读取结果回填到 rlptr 中。

setrlimit(2) 设置 resource 资源，设置的值在 rlimit 中。

struct rlimit {
rlim_t rlim_cur; /* 软限制。普通用户能提高和降低软限制，但是不能高过硬限制。超级用户也一样。 */
rlim_t rlim_max; /* 硬限制。普通用户只能降低自己的硬限制，不能提高硬限制。超级用户能提高硬限制也能降低硬限制。 */
};