7.1引言

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將介紹進(jìn)程控制原語，在此之前需先了解進(jìn)程的環(huán)境。本章 中將學(xué)習(xí):當(dāng)程序執(zhí)行時(shí)，其main函數(shù)是如何被調(diào)用的;命令行參數(shù)是 如何傳遞給新程序的;典型的存儲空間布局是什么樣式;如何分配另外 的存儲空間;進(jìn)程如何使用環(huán)境變量;進(jìn)程的各種不同終止方式等。另 外，還將說明longjmp和setjmp函數(shù)以及它們與棧的交互作用。本章結(jié)束 之前，還將查看進(jìn)程的資源限制。

7.2 main函數(shù)

C程序總是從main函數(shù)開始執(zhí)行。main函數(shù)的原型是:
int main(int argc, char *argv[]); 其中，argc是命令行參數(shù)的數(shù)目，argv是指向參數(shù)的各個(gè)指針?biāo)鶚?gòu)成的數(shù)組。7.4 節(jié)將對命令行參數(shù)進(jìn)行說明。 當(dāng)內(nèi)核執(zhí)行C程序時(shí)(使用一個(gè)exec函數(shù)，8.10節(jié)將說明exec函數(shù))，在調(diào)用main前先調(diào)用一個(gè)特殊的啟動例程?？蓤?zhí)行程序文件將此 啟動例程指定為程序的起始地址——這是由連接編輯器設(shè)置的，而連接 編輯器則由C編譯器調(diào)用。啟動例程從內(nèi)核取得命令行參數(shù)和環(huán)境變量 值，然后為按上述方式調(diào)用main函數(shù)做好安排。

7.3 進(jìn)程終止

有8種方式使進(jìn)程終止(termination)，其中 5種為正常終止，它們 是:

• (1)從main返回;
• (2)調(diào)用exit;
• (3)調(diào)用_exit或_Exit;
• (4)最后一個(gè)線程從其啟動例程返回(11.5節(jié));
• (5)從最后一個(gè)線程調(diào)用pthread_exit(11.5節(jié))。

異常終止有3種方式，它們是:

• (6)調(diào)用abort(10.17節(jié));
• (7)接到一個(gè)信號(10.2節(jié));
• (8)最后一個(gè)線程對取消請求做出響應(yīng)(11.5節(jié)和12.7節(jié))。

在第11章和第12章討論線程之前，我們暫不考慮專門針對線程的3
種終止方式。
上節(jié)提及的啟動例程是這樣編寫的，使得從main返回后立即調(diào)用 exit函數(shù)。如果將啟動例程以C代碼形式表示(實(shí)際上該例程常常用匯編 語言編寫)，則它調(diào)用main函數(shù)的形式可能是:

 exit(main(argc, argv));

• 1.退出函數(shù)
  3個(gè)函數(shù)用于正常終止一個(gè)程序:_exit和_Exit立即進(jìn)入內(nèi)核，exit則 先執(zhí)行一些清理處理，然后返回內(nèi)核。

#include <stdlib.h> 
void exit(int status); 
void _Exit(int status);
 
#include <unistd.h>
void _exit(int status);

由于歷史原因，exit 函數(shù)總是執(zhí)行一個(gè)標(biāo)準(zhǔn) I/O 庫的清理關(guān)閉操 作:對于所有打開流調(diào)用fclose函數(shù)。回憶5.5節(jié)，這造成輸出緩沖中的 所有數(shù)據(jù)都被沖洗(寫到文件上)。

3個(gè)退出函數(shù)都帶一個(gè)整型參數(shù)，稱為終止?fàn)顟B(tài)(或退出狀態(tài)，exit status)。大多 數(shù)UNIX系統(tǒng)shell都提供檢查進(jìn)程終止?fàn)顟B(tài)的方法。如果 (a)調(diào)用這些函數(shù)時(shí)不帶終止?fàn)顟B(tài)，或(b)main執(zhí)行了一個(gè)無返回值 的return語句，或(c)main沒有聲明返回類型為整型，則該進(jìn)程的終止 狀態(tài)是未定義的。但是，若main的返回類型是整型，并且main執(zhí)行到最 后一條語句時(shí)返回(隱式返回)，那么該進(jìn)程的終止?fàn)顟B(tài)是0。

這種處理是ISO C標(biāo)準(zhǔn)1999版引入的。歷史上，若main函數(shù)終止時(shí) 沒有顯式使用return語句或調(diào)用exit函數(shù)，那么進(jìn)程終止?fàn)顟B(tài)是未定義 的。
main函數(shù)返回一個(gè)整型值與用該值調(diào)用exit是等價(jià)的。于是在main 函數(shù)中
exit(0);
等價(jià)于
return(0);

#include <stdio.h>
int main() {
    printf("hello world\n");
}

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-2 函數(shù)atexit

按照ISO C的規(guī)定，一個(gè)進(jìn)程可以登記多至32個(gè)函數(shù)，這些函數(shù)將 由exit自動調(diào)用。我們稱這些函數(shù)為終止處理程序(exit handler)，并調(diào) 用atexit函數(shù)來登記這些函數(shù)。

#include <stdlib.h>
int atexit(void (*func)(void));
返回值:若成功，返回0;若出錯(cuò)，返回非0

其中，atexit 的參數(shù)是一個(gè)函數(shù)地址，當(dāng)調(diào)用此函數(shù)時(shí)無需向它傳
遞任何參數(shù)，也不期望它返回一個(gè)值。exit調(diào)用這些函數(shù)的順序與它們 登記時(shí)候的順序相反。同一函數(shù)如若登記多次，也會被調(diào)用多次。

ISO C要求，系統(tǒng)至少應(yīng)支持32個(gè)終止處理程序，但實(shí)現(xiàn)經(jīng)常會提 供更多的支持(參見圖2-15)。為了確定一個(gè)給定的平臺支持的最大終
止處理程序數(shù)，可以使用sysconf函數(shù)(如圖2-14所示)。

根據(jù)ISO C和POSIX.1，exit首先調(diào)用各終止處理程序，然后關(guān)閉 (通過fclose)所有打開流。POSIX.1擴(kuò)展了ISO C標(biāo)準(zhǔn)，它說明，如若 程序調(diào)用exec函數(shù)族中的任一函數(shù)，則將清除所有已安裝的終止處理程 序。圖7-2顯示了一個(gè)C程序是如何啟動的，以及它終止的各種方式。

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注意，內(nèi)核使程序執(zhí)行的唯一方法是調(diào)用一個(gè)exec函數(shù)。進(jìn)程自愿 終止的唯一方法是顯式或隱式地(通過調(diào)用 exit)調(diào)用_exit 或_Exit。進(jìn) 程也可非自愿地由一個(gè)信號使其終止(圖 7-2中沒有顯示)。

#include <stdio.h>
#include <iostream>
#include <unistd.h>
#include <string>
#include <stdlib.h>

static void my_exit1() {
    std::cout << "my_exit" << std::endl;
}
static void my_exit2() {
    std::cout << "my_exit2" << std::endl;
}

int main()
{
    atexit(my_exit1);
    atexit(my_exit2);

    printf("main function is done\n");

    return 0;
}

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7.4 命令行參數(shù)

當(dāng)執(zhí)行一個(gè)程序時(shí)，調(diào)用exec的進(jìn)程可將命令行參數(shù)傳遞給該新程 序。這是UNIX shell的一部分常規(guī)操作。在前幾章的很多實(shí)例中，我們 已經(jīng)看到了這一點(diǎn)。

所示的程序?qū)⑵渌忻钚袇?shù)都回顯到標(biāo)準(zhǔn)輸出上。注 意，通常的 echo程序不回顯第0個(gè)參數(shù)。

#include <iostream>
#include <stdio.h>

int main(int argc ,char * argv[]) {
    int i = 0;
    for (i = 0; i < argc; ++i ) {
        printf("argv[%d] is : %s\n", argc, argv[i]);
    }
    return 0;
}

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ISO C和POSIX.1都要求argv[argc]是一個(gè)空指針。這就使我們可以將 參數(shù)處理循環(huán)改寫為:

for (int i =0 ; argv[i]!= NULL; ++i)

7.5環(huán)境表

每個(gè)程序都接收到一張環(huán)境表。與參數(shù)表一樣，環(huán)境表也是一個(gè)字 符指針數(shù)組，其中每個(gè)指針包含一個(gè)以null結(jié)束的C字符串的地址。全局 變量environ則包含了該指針數(shù)組的地址:

extern char **environ;

例如，如果該環(huán)境包含5個(gè)字符串，那么它看起來如圖7-5中所示。 其中，每個(gè)字符串的結(jié)尾處都顯式地有一個(gè)null字節(jié)。我們稱environ為 環(huán)境指針(environment pointer)，指針數(shù)組為環(huán)境表，其中各指針指向 的字符串為環(huán)境字符串。

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按照慣例，環(huán)境由
name = value 這樣的字符串組成，如圖7-5中所示。大多數(shù)預(yù)定義名完全由大寫字母組成，但這只是一個(gè)慣例。

在歷史上，大多數(shù)UNIX系統(tǒng)支持main函數(shù)帶3個(gè)參數(shù)，其中第3個(gè)

參數(shù)就是環(huán)境表地址:
int main(int argc, char *argv[], char *envp[]);
因?yàn)镮SO C規(guī)定main函數(shù)只有兩個(gè)參數(shù)，而且第3個(gè)參數(shù)與全局變量 environ相比也沒有帶來更多益處，所以 POSIX.1 也規(guī)定應(yīng)使用 environ 而不使用第 3 個(gè)參數(shù)。通常用 getenv 和putenv函數(shù)(見7.9節(jié))來訪問特 定的環(huán)境變量，而不是用environ變量。但是，如果要查看整個(gè)環(huán)境，則 必須使用environ指針。

我們寫一個(gè)打印環(huán)境變量的代碼

#include <iostream>
#include <stdio.h>

extern char **environ;

int main() {
    /*----------------------------------- display environ ----------------------------------------*/
    for (int i = 0; environ[i] != NULL; ++i) {
        printf("environ: %s\n", environ[i]);
    }
}

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7.6 C程序儲存空間布局

歷史沿襲至今，C程序一直由下列幾部分組成:

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• 代碼段:程序的所有指令會存放在這個(gè)區(qū)域，這是已經(jīng)編譯后的機(jī)器碼。
  這是由CPU執(zhí)行的機(jī)器指令部分。通常，正文段是可共 享的，所以即使是頻繁執(zhí)行的程序(如文本編輯器、C編譯器和shell 等)在存儲器中也只需有一個(gè)副本，另外，正文段常常是只讀的，以防 止程序由于意外而修改其指令。

• 字面量池是程序初始化時(shí)的一些字符串字面量，在程序中用于顯示文字

• 全局?jǐn)?shù)據(jù)段：通常將此段稱為數(shù)據(jù)段，程序初始化時(shí)的常量和全局/靜態(tài)的變量。C/C++ 用global/static聲明的變量都存放在這個(gè)區(qū)域，對所有函數(shù)公開可見。(static或extern 已經(jīng)初始化的全局變量都在這里)
  它包含了程序中需明確 地賦初值的變量。例如， C程序中任何函數(shù)之外的聲明:

   int maxcount = 99;

?未初始化數(shù)據(jù)段。通常將此段稱為bss段，這一名稱來源于早期匯 編程序一個(gè)操作符，意思是“由符號開始的塊”(block started by symbol)，在程序開始執(zhí)行之前，內(nèi)核將此段中的數(shù)據(jù)初始化為0或空 指針。函數(shù)外的聲明:

    long sum[1000];

使此變量存放在非初始化數(shù)據(jù)段中。

• 堆: 通常在堆中進(jìn)行動態(tài)存儲分配。由于歷史上形成的慣例，堆位于未初始化數(shù)據(jù)段和棧之間。這里保存的數(shù)據(jù)只是為了臨時(shí)存儲一些值而創(chuàng)建的，而我們可能在程序運(yùn)行過程中可能會回收此內(nèi)存。因?yàn)槲覀冊诔绦驁?zhí)行期間不需要很長時(shí)間，所以使用C中的new或malloc這類內(nèi)存分配程序來為我們所需的特定數(shù)據(jù)類型提供新的空間，并且隨著我們要求越來越多的動態(tài)數(shù)據(jù)空間而該區(qū)域不斷擴(kuò)大，并且在內(nèi)存中逐漸增長到更高的地址。

• 棧:
  自動變量以及每次函數(shù)調(diào)用時(shí)所需保存的信息都存放在此段 中。每次函數(shù)調(diào)用時(shí)，其返回地址以及調(diào)用者的環(huán)境信息(如某些機(jī)器 寄存器的值)都存放在棧中。然后，最近被調(diào)用的函數(shù)在棧上為其自動 和臨時(shí)變量分配存儲空間。通過以這種方式使用棧，C遞歸函數(shù)可以工 作。遞歸函數(shù)每次調(diào)用自身時(shí)，就用一個(gè)新的棧幀，因此一次函數(shù)調(diào)用 實(shí)例中的變量集不會影響另一次函數(shù)調(diào)用實(shí)例中的變量。

  當(dāng)我們執(zhí)行這些過程調(diào)用時(shí),堆的基本特性是LIFO,存儲著該程序“上下文”，它將從內(nèi)存的高層地址開始，然后向另一個(gè)方向向下擴(kuò)展。上下文其實(shí)就是程序中各個(gè)函數(shù)之間調(diào)用的先后順序。

7.7 共享庫

即動態(tài)庫，linux系統(tǒng)上的.so文件
現(xiàn)在，大多數(shù)UNIX系統(tǒng)支持共享庫。Arnold[1986]說明了System V 上共享庫的一個(gè)早期實(shí)現(xiàn)，Gingell等[1987]則說明了SunOS上的另一個(gè)實(shí) 現(xiàn)。共享庫使得可執(zhí)行文件中不再需要包含公用的庫函數(shù)，而只需在所 有進(jìn)程都可引用的存儲區(qū)中保存這種庫例程的一個(gè)副本。程序第一次執(zhí) 行或者第一次調(diào)用某個(gè)庫函數(shù)時(shí)，用動態(tài)鏈接方法將程序與共享庫函數(shù) 相鏈接。這減少了每個(gè)可執(zhí)行文件的長度，但增加了一些運(yùn)行時(shí)間開 銷。

這種時(shí)間開銷發(fā)生在該程序第一次被執(zhí)行時(shí)，或者每個(gè)共享庫函數(shù) 第一次被調(diào)用時(shí)。共享庫的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是可以用庫函數(shù)的新版本代替老 版本而無需對使用該庫的程序重新連接編輯(假定參數(shù)的數(shù)目和類型都 沒有發(fā)生改變)。

在不同的系統(tǒng)中，程序可能使用不同的方法說明是否要使用共享 庫。比較典型的有 cc(1)和ld(1)命令的選項(xiàng)。作為長度方面發(fā)生變化的例 子，先用無共享庫方式創(chuàng)建下列可執(zhí)行文件(典型的hello.c程序):

$ gcc -static hello1.c     阻止gcc 使用共享庫

7.8 儲存空間分配

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ISO C說明了3個(gè)用于存儲空間動態(tài)分配的函數(shù)。

• (1)malloc，分配指定字節(jié)數(shù)的存儲區(qū)。此存儲區(qū)中的初始值不確 定。
• (2)calloc，為指定數(shù)量指定長度的對象分配存儲空間。該空間中 的每一位(bit)都初始化為0。
• (3)realloc，增加或減少以前分配區(qū)的長度。當(dāng)增加長度時(shí)，可能 需將以前分配區(qū)的內(nèi)容移到另一個(gè)足夠大的區(qū)域，以便在尾端提供增加的存儲區(qū)，而新增 區(qū)域內(nèi)的初始值則不確定。

#include <stdlib.h>
void *malloc(size_t size);
void *calloc(size_t nobj, size_t size); 
void *realloc(void *ptr, size_t newsize);

3個(gè)函數(shù)返回值:若成功，返回非空指針;若出錯(cuò)，返回NULL

void free(void *ptr);

這3個(gè)分配函數(shù)所返回的指針一定是適當(dāng)對齊的，使其可用于任何 數(shù)據(jù)對象。例如，在一個(gè)特定的系統(tǒng)上，如果最苛刻的對齊要求是， double必須在8的倍數(shù)地址單元處開始，那么這3個(gè)函數(shù)返回的指針都應(yīng) 這樣對齊。

因?yàn)檫@ 3 個(gè) alloc 函數(shù)都返回通用指針 void *，所以如果在程序中包 括了#include<stdlib.h>(以獲得函數(shù)原型)，那么當(dāng)我們將這些函數(shù)返 回的指針賦予一個(gè)不同類型的指針時(shí)，就不需要顯式地執(zhí)行強(qiáng)制類型轉(zhuǎn)換。未聲明函數(shù)的默認(rèn)返回值為int，所以使用沒有正確函數(shù)聲明的強(qiáng)制 類型轉(zhuǎn)換可能會隱藏系統(tǒng)錯(cuò)誤，因?yàn)閕nt類型的長度與函數(shù)返回類型值的 長度不同(本例中是指針)。

函數(shù)free 釋放ptr指向的存儲空間。被釋放的空間通常被送入可用存 儲區(qū)池，以后，可在調(diào)用上述3個(gè)分配函數(shù)時(shí)再分配。

realloc函數(shù)使我們可以增、減以前分配的存儲區(qū)的長度(最常見的 用法是增加該區(qū))。例如，如果先為一個(gè)數(shù)組分配存儲空間，該數(shù)組長 度為 512，然后在運(yùn)行時(shí)填充它，但運(yùn)行一段時(shí)間后發(fā)現(xiàn)該數(shù)組原先的 長度不夠用，此時(shí)就可調(diào)用 realloc 擴(kuò)充相應(yīng)存儲空間。如果在該存儲區(qū) 后有足夠的空間可供擴(kuò)充，則可在原存儲區(qū)位置上向高地址方向擴(kuò)充， 無需移動任何原先的內(nèi)容，并返回與傳給它相同的指針值。如果在原存 儲區(qū)后沒有足夠的空間，則 realloc 分配另一個(gè)足夠大的存儲區(qū)，將現(xiàn)存 的512個(gè)元素?cái)?shù)組的內(nèi)容復(fù)制到新分配的存儲區(qū)。然后，釋放原存儲 區(qū)，返回新分配區(qū)的指針。因?yàn)檫@種存儲區(qū)可能會移動位置，所以不應(yīng) 當(dāng)使任何指針指在該區(qū)中。

注意，realloc的最后一個(gè)參數(shù)是存儲區(qū)的新長度，不是新、舊存儲 區(qū)長度之差。作為一個(gè)特例，若ptr是一個(gè)空指針，則realloc的功能與 malloc相同，用于分配一個(gè)指定長度為newsize的存儲區(qū)。

這些函數(shù)的早期版本允許調(diào)用realloc分配自上次malloc、realloc 或calloc調(diào)用以來所釋放的塊。這種技巧可回溯到 V7，它利用 malloc 的搜索策略，實(shí)現(xiàn)存儲器緊縮。Solaris仍支持這一功能，而很多其他 平臺則不支持。這種功能不被贊同，不應(yīng)再使用。

這些分配例程通常用sbrk(2)系統(tǒng)調(diào)用實(shí)現(xiàn)。該系統(tǒng)調(diào)用擴(kuò)充(或縮 小)進(jìn)程的堆

雖然sbrk可以擴(kuò)充或縮小進(jìn)程的存儲空間，但是大多數(shù)malloc和free 的實(shí)現(xiàn)都不減小進(jìn)程的存儲空間。釋放的空間可供以后再分配，但將它 們保持在malloc池中而不返回給內(nèi)核。
大多數(shù)實(shí)現(xiàn)所分配的存儲空間比所要求的要稍大一些，額外的空間 用來記錄管理信息——分配塊的長度、指向下一個(gè)分配塊的指針等。這 就意味著，如果超過一個(gè)已分配區(qū)的尾端或者在已分配區(qū)起始位置之前 進(jìn)行寫操作，則會改寫另一塊的管理記錄信息。這種類型的錯(cuò)誤是災(zāi)難 性的，但是因?yàn)檫@種錯(cuò)誤不會很快就暴露出來，所以也就很難發(fā)現(xiàn)。
在動態(tài)分配的緩沖區(qū)前或后進(jìn)行寫操作，破壞的可能不僅僅是該區(qū) 的管理記錄信息。在動態(tài)分配的緩沖區(qū)前后的存儲空間很可能用于其他 動態(tài)分配的對象。這些對象與破壞它們的代碼可能無關(guān)，這造成尋求信 息破壞的源頭更加困難。
其他可能產(chǎn)生的致命性的錯(cuò)誤是:釋放一個(gè)已經(jīng)釋放了的塊;調(diào)用 free時(shí)所用的指針不是3個(gè)alloc函數(shù)的返回值等。如若一個(gè)進(jìn)程調(diào)用 malloc函數(shù)，但卻忘記調(diào)用free函數(shù)，那么該進(jìn)程占用的存儲空間就會連 續(xù)增加，這被稱為泄漏(leakage)。如果不調(diào)用free函數(shù)釋放不再使用 的空間，那么進(jìn)程地址空間長度就會慢慢增加，直至不再有空閑空間。 此時(shí)，由于過度的換頁開銷，會造成性能下降。
因?yàn)榇鎯臻g分配出錯(cuò)很難跟蹤，所以某些系統(tǒng)提供了這些函數(shù)的 另一種實(shí)現(xiàn)版本。每次調(diào)用這3個(gè)分配函數(shù)中的任意一個(gè)或free時(shí)，它們 都進(jìn)行附加的檢錯(cuò)。在調(diào)用連接編輯器時(shí)指定一個(gè)專用庫，在程序中就 可使用這種版本的函數(shù)。此外還有公共可用的資源，在對其進(jìn)行編譯時(shí) 使用一個(gè)特殊標(biāo)志就會使附加的運(yùn)行時(shí)檢查生效。

有很多可替代malloc和free的函數(shù)。某些系統(tǒng)已經(jīng)提供替代存儲空間 分配函數(shù)的庫。另一些系統(tǒng)只提供標(biāo)準(zhǔn)的存儲空間分配程序。如果需 要，軟件開發(fā)者可以下載替代函數(shù)。下面討論某些替代函數(shù)和庫。

• 1.libmalloc
  基于SVR4的UNIX系統(tǒng)，如Solaries，包含了libmalloc庫，它提供了 一套與ISO C存儲空間分配函數(shù)相匹配的接口。libmalloc庫包括mallopt函 數(shù)，它使進(jìn)程可以設(shè)置一些變量，并用它們來控制存儲空間分配程序的 操作。還可使用另一個(gè)名為mallinfo的函數(shù)，以對存儲空間分配程序的 操作進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。

• 2.vmalloc
  Vo[1996]說明一種存儲空間分配程序，它允許進(jìn)程對于不同的存儲 區(qū)使用不同的技術(shù)。除了一些vmalloc特有的函數(shù)外，該庫也提供了ISO C存儲空間分配函數(shù)的仿真器。

• 3.quick-fit
  歷史上所使用的標(biāo)準(zhǔn) malloc 算法是最佳適配或首次適配存儲分配策 略。quick-fit(快速適配)算法比上述兩種算法快，但可能使用較多存 儲空間。Weinstock和Wulf[1988]對該算法進(jìn)行了描述，該算法基于將存 儲空間分裂成各種長度的緩沖區(qū)，并將未使用的緩沖區(qū)按其長度組成不 同的空閑區(qū)列表?，F(xiàn)在許多分配程序都基于快速適配。

• 4.jemalloc
  jemalloc函數(shù)實(shí)現(xiàn)是FreeBSD 8.0中的默認(rèn)存儲空間分配程序，它是 庫函數(shù)malloc族在FreeBSD中的實(shí)現(xiàn)。它的設(shè)計(jì)具有良好的可擴(kuò)展性，可 用于多處理器系統(tǒng)中使用多線程的應(yīng)用程序。Evans[2006]說明了具體實(shí) 現(xiàn)及其性能評估。

• 5.TCMalloc
  TCMalloc函數(shù)用于替代malloc函數(shù)族以提供高性能、高擴(kuò)展性和高 存儲效率。從高速緩存中分配緩沖區(qū)以及釋放緩沖區(qū)到高速緩存中時(shí)，
  它使用線程-本地高速緩存來避免鎖開銷。它還有內(nèi)置的堆檢查程序和 堆分析程序幫助調(diào)試和分析動態(tài)存儲的使用。TCMalloc庫是開源可用 的，是Google-perftools工具中的一個(gè)。Ghemawat和Menage[2005]對此做 了簡單介紹。

• 6.函數(shù)alloca
  還有一個(gè)函數(shù)也值得一提，這就是alloca。它的調(diào)用序列與malloc相 同，但是它是在當(dāng)前函數(shù)的棧幀上分配存儲空間，而不是在堆中。其優(yōu) 點(diǎn)是:當(dāng)函數(shù)返回時(shí)，自動釋放它所使用的棧幀，所以不必再為釋放空 間而費(fèi)心。其缺點(diǎn)是:alloca 函數(shù)增加了棧幀的長度，而某些系統(tǒng)在函 數(shù)已被調(diào)用后不能增加棧幀長度，于是也就不能支持alloca函數(shù)。盡管如 此，很多軟件包還是使用alloca函數(shù)，也有很多系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了該函數(shù)。
  本書中討論的4個(gè)平臺都提供了alloca函數(shù)。

7.9環(huán)境變量

如同前述，環(huán)境字符串的形式是:
name=value

UNIX內(nèi)核并不查看這些字符串，它們的解釋完全取決于各個(gè)應(yīng)用
程序。例如，shell使用了大量的環(huán)境變量。其中某一些在登錄時(shí)自動設(shè) 置(如HOME、USER等)，有些則由用戶設(shè)置。我們通常在一個(gè)shell 啟動文件中設(shè)置環(huán)境變量以控制shell的動作。例如，若設(shè)置了環(huán)境變量 MAILPATH，則它告訴Bourne shell、GNU Bourne-again shell和Korn shell 到哪里去查看郵件。
ISO C定義了一個(gè)函數(shù)getenv，可以用其取環(huán)境變量值，但是該標(biāo)準(zhǔn) 又稱環(huán)境的內(nèi)容是由實(shí)現(xiàn)定義的。

#include <stdlib.h>
char *getenv(const char *name);

返回值:指向與name關(guān)聯(lián)的value的指針;若未找到，返回NULL 注意，此函數(shù)返回一個(gè)指針，它指向name=value字符串中的value。
我們應(yīng)當(dāng)使用getenv從環(huán)境中取一個(gè)指定環(huán)境變量的值，而不是直接訪 問environ。

Single UNIX Specification中的POSIX.1定義了某些環(huán)境變量。如果支 持XSI擴(kuò)展，那么其中也包含了另外一些環(huán)境變量定義。圖7-7列出了由 Single UNIX Specification定義的環(huán)境變量，并指明本書討論的4種實(shí)現(xiàn)對 它們的支持情況。由POSIX.1定義的各環(huán)境變量標(biāo)記為?，否則為XSI擴(kuò) 展。本書討論的4種UNIX實(shí)現(xiàn)使用了很多依賴于實(shí)現(xiàn)的環(huán)境變量。注 意，ISO C沒有定義任何環(huán)境變量。

image.png

除了獲取環(huán)境變量值，有時(shí)也需要設(shè)置環(huán)境變量。我們可能希望改 變現(xiàn)有變量的值，或者是增加新的環(huán)境變量。(在下一章將會了解到， 我們能影響的只是當(dāng)前進(jìn)程及其后生成和調(diào)用的任何子進(jìn)程的環(huán)境，但 不能影響父進(jìn)程的環(huán)境，這通常是一個(gè)shell進(jìn)程。盡管如此，修改環(huán)境 表的能力仍然是很有用的。)遺憾的是，并不是所有系統(tǒng)都支持這種能 力。圖7-8列出了由不同的標(biāo)準(zhǔn)及實(shí)現(xiàn)支持的各種函數(shù)。

image.png

clearenv不是Single UNIX Specification的組成部分。它被用來刪除環(huán) 境表中的所有項(xiàng)。在圖7-8中，中間3個(gè)函數(shù)的原型是:

#include <stdlib.h> 
int putenv(char *str);
函數(shù)返回值:若成功，返回0;若出錯(cuò)，返回非0
int setenv(const char *name, const char *value, int rewrite);
int unsetenv(const char *name);
兩個(gè)函數(shù)返回值:若成功，返回0;若出錯(cuò)，返回?1 這3個(gè)函數(shù)的操作如下。

• putenv取形式為name=value的字符串，將其放到環(huán)境表中。如果 name已經(jīng)存在，則先刪除其原來的定義。

• setenv將name設(shè)置為value。如果在環(huán)境中name已經(jīng)存在，那么 (a)若rewrite非0，則首先刪除其現(xiàn)有的定義;(b)若rewrite為0，則 不刪除其現(xiàn)有定義(name不設(shè)置為新的value，而且也不出錯(cuò))。

• unsetenv刪除name的定義。即使不存在這種定義也不算出錯(cuò)。
  注意，putenv和setenv之間的差別。setenv必須分配存儲空間，以 便依據(jù)其參數(shù)創(chuàng)建name=value字符串。putenv可以自由地將傳遞給它的 參數(shù)字符串直接放到環(huán)境中。確實(shí)，許多實(shí)現(xiàn)就是這么做的，因此，將 存放在棧中的字符串作為參數(shù)傳遞給putenv就會發(fā)生錯(cuò)誤，其原因是， 從當(dāng)前函數(shù)返回時(shí)，其棧幀占用的存儲區(qū)可能將被重用。

我們寫一個(gè)獲取HOME目錄環(huán)境變量的小代碼

#include <iostream>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>

int main() {
    /*----------------------------------- test getenv ----------------------------------------*/
    
    /* env name. */
    char name[255];
    memset(name, 0, 255);
    char *p = name;

    /* get env. */
    p = getenv("HOME");

    printf("env HOME: %s\n", p);
}

image.png

這些函數(shù)在修改環(huán)境表時(shí)是如何進(jìn)行操作的呢?對這一問題進(jìn)行研 究、考察是非常有益的?；貞洺绦虻膬?nèi)存布局，其中，環(huán)境表(指向?qū)嶋H name=value字符串的指針數(shù)組)和環(huán)境字符串通常存放在進(jìn)程存儲空間 的頂部(棧之上)。刪除一個(gè)字符串很簡單——只要先在環(huán)境表中找到 該指針，然后將所有后續(xù)指針都向環(huán)境表首部順次移動一個(gè)位置。但是 增加一個(gè)字符串或修改一個(gè)現(xiàn)有的字符串就困難得多。環(huán)境表和環(huán)境字符串通常占用的是進(jìn)程地址空間的頂部，所以它不能再向高地址方向 (向上)擴(kuò)展:同時(shí)也不能移動在它之下的各棧幀，所以它也不能向低 地址方向(向下)擴(kuò)展。兩者組合使得該空間的長度不能再增加。

(1)如果修改一個(gè)現(xiàn)有的name:

• a.如果新value的長度少于或等于現(xiàn)有value的長度，則只要將新字 符串復(fù)制到原字符串所用的空間中;

• b.如果新value的長度大于原長度，則必須調(diào)用malloc為新字符串分 配空間，然后將新字符串復(fù)制到該空間中，接著使環(huán)境表中針對name的 指針指向新分配區(qū)。

(2)如果要增加一個(gè)新的name，則操作就更加復(fù)雜。首先，必須 調(diào)用malloc為name=value字符串分配空間，然后將該字符串復(fù)制到此空 間中。

• a.如果這是第一次增加一個(gè)新name，則必須調(diào)用malloc為新的指針 表分配空間。接著，將原來的環(huán)境表復(fù)制到新分配區(qū)，并將指向新 name=value字符串的指針存放在該指針表的表尾，然后又將一個(gè)空指針 存放在其后。最后使environ指向新指針表。再看一下圖7-6，如果原來 的環(huán)境表位于棧頂之上(這是一種常見情況)，那么必須將此表移至堆 中。
  但是，此表中的大多數(shù)指針仍指向棧頂之上的各name=value字符 串。

• b.如果這不是第一次增加一個(gè)新name，則可知以前已調(diào)用malloc在 堆中為環(huán)境表分配了空間，所以只要調(diào)用 realloc，以分配比原空間多存 放一個(gè)指針的空間。然后將指向新name=value字符串的指針存放在該表 表尾，后面跟著一個(gè)空指針。

7.10 setjmp 和 long jmp

在C中，goto語句是不能跨越函數(shù)的，而執(zhí)行這種類型跳轉(zhuǎn)功能的 是函數(shù)setjmp和longjmp。這兩個(gè)函數(shù)對于處理發(fā)生在很深層嵌套函數(shù)調(diào) 用中的出錯(cuò)情況是非常有用的。

非局部goto——setjmp和longjmp函 數(shù)。非局部指的是，這不是由普通的C語言goto語句在一個(gè)函數(shù)內(nèi)實(shí)施 的跳轉(zhuǎn)，而是在棧上跳過若干調(diào)用幀，返回到當(dāng)前函數(shù)調(diào)用路徑上的某 一個(gè)函數(shù)中。

#include <setjmp.h>
int setjmp(jmp_buf env);
返回值:若直接調(diào)用，返回0;若從longjmp返回，則為非0
void longjmp(jmp_buf env, int val);

setjmp參數(shù)env的類 型是一個(gè)特殊類型jmp_buf。這一數(shù)據(jù)類型是某種形式的數(shù)組，其中存 放在調(diào)用 longjmp 時(shí)能用來恢復(fù)棧狀態(tài)的所有信息。因?yàn)樾柙诹硪粋€(gè)函 數(shù)中引用env變量，所以通常將env變量定義為全局變量。
要保證env不會因?yàn)闂袚Q改變，可以保存為static /extern 或在堆區(qū)建設(shè)

7.11 函數(shù)getrlimit 和setrlimit

每個(gè)進(jìn)程都有一組資源限制，其中一些可以用getrlimit和setrlimit函 數(shù)查詢和更改。

#include <sys/resource.h>
int getrlimit(int resource, struct rlimit *rlptr);
int setrlimit(int resource, const struct rlimit *rlptr);

兩個(gè)函數(shù)返回值:若成功，返回0;若出錯(cuò)，返回非0
這兩個(gè)函數(shù)在Single UNIX Specification的XSI擴(kuò)展中定義。進(jìn)程 的資源限制通常是在系統(tǒng)初始化時(shí)由0進(jìn)程建立的，然后由后續(xù)進(jìn)程繼 承。每種實(shí)現(xiàn)都可以用自己的方法對資源限制做出調(diào)整。

對這兩個(gè)函數(shù)的每一次調(diào)用都指定一個(gè)資源以及一個(gè)指向下列結(jié)構(gòu) 的指針。

struct rlimit {
rlim_t rlim_cur; /* soft limit: current limit */
rlim_t rlim_max; /* hard limit: maximum value for rlim_cur */ };

在更改資源限制時(shí)，須遵循下列3條規(guī)則。
(1)任何一個(gè)進(jìn)程都可將一個(gè)軟限制值更改為小于或等于其硬限 制值。
(2)任何一個(gè)進(jìn)程都可降低其硬限制值，但它必須大于或等于其 軟限制值。這種降低，對普通用戶而言是不可逆的。
(3)只有超級用戶進(jìn)程可以提高硬限制值。

常量RLIM_INFINITY指定了一個(gè)無限量的限制。
這兩個(gè)函數(shù)的 resource 參數(shù)取下列值之一。圖 7-15 顯示哪些資源限 制是由 Single UNIX Specification定義并由本書討論的4種UNIX系統(tǒng)實(shí)現(xiàn) 支持的。

image.png

RLIMIT_AS 進(jìn)程總的可用存儲空間的最大長度(字節(jié))。這影響 到 sbrk 函數(shù)(1.11節(jié))和mmap函數(shù)(14.8節(jié))。

RLIMIT_CORE core文件的最大字節(jié)數(shù)，若其值為0則阻止創(chuàng)建core 文件。

RLIMIT_CPU CPU時(shí)間的最大量值(秒)，當(dāng)超過此軟限制時(shí)，向 該進(jìn)程發(fā)送SIGXCPU信號。

RLIMIT_DATA 數(shù)據(jù)段的最大字節(jié)長度。這是始化數(shù)據(jù)、非初始以及堆的總和。

RLIMIT_FSIZE 可以創(chuàng)建的文件的最大字節(jié)長度。當(dāng)超過此軟限制時(shí)，則向該進(jìn)程發(fā)送SIGXFSZ信號。

RLIMIT_MEMLOCK 一個(gè)進(jìn)程使用mlock(2)能夠鎖定在存儲空間中
的最大字節(jié)長度。

RLIMIT_MSGQUEUE 進(jìn)程為POSIX消息隊(duì)列可分配的最大存儲字
節(jié)數(shù)。

RLIMIT_NICE 為了影響進(jìn)程的調(diào)度優(yōu)先級，nice值(8.16節(jié))可設(shè)
置的最大限制。

RLIMIT_NOFILE 每個(gè)進(jìn)程能打開的最多文件數(shù)。

RLIMIT_NPROC 每個(gè)實(shí)際用戶 ID 可擁有的最大子進(jìn)程數(shù)。更改此 限制將影響到sysconf函數(shù)在參數(shù)_SC_CHILD_MAX中返回的值(見2.5.4 節(jié))。

RLIMIT_SWAP 用戶可消耗的交換空間的最大字節(jié)數(shù) 

RLIMIT_VMEM 這是RLIMIT_AS的同義詞。

資源限制影響到調(diào)用進(jìn)程并由其子進(jìn)程繼承。這就意味著，為了影
響一個(gè)用戶的所有后續(xù)進(jìn)程，需將資源限制的設(shè)置構(gòu)造在shell之中。確 實(shí)，Bourne shell、GNU Bourne-again shell和Korn shell具有內(nèi)置的ulimit命令，C shell具有內(nèi)置limit命令。(umask和chdir函數(shù)也必須是shell內(nèi)置 的。)

打印由系統(tǒng)支持的所有資源當(dāng)前的軟限制和硬限制。 為了在各種實(shí)現(xiàn)上編譯該程序，我們已經(jīng)條件地包括了各種不同的資源 名。

#include <iostream>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/resource.h>

rlimit my_rlimit;

int main() {
    /*----------------------------------- get cpu rlimit ----------------------------------------*/
    int ret = getrlimit(RLIMIT_CPU, &my_rlimit);
    printf("cpu   rlimit: (%llu)  (%llu)\n", my_rlimit.rlim_cur, my_rlimit.rlim_max);
    
    /*----------------------------------- get nire rlimit ----------------------------------------*/
    ret = getrlimit(RLIMIT_AS, &my_rlimit);
    printf("AS    rlimit: (%llu)  (%llu)\n", my_rlimit.rlim_cur, my_rlimit.rlim_max);

    /*----------------------------------- get stack rlimit ----------------------------------------*/
    ret = getrlimit(RLIMIT_STACK, &my_rlimit);
    printf("stack rlimit: (%llu)  (%llu)\n", my_rlimit.rlim_cur, my_rlimit.rlim_max);

    return 0;
}

image.png

也可以通過系統(tǒng)命令行來修改硬上限

• linux可以通過ulimit命令查看棧上限和設(shè)置上限

ulimit -a 查看進(jìn)程所有資源上限
ulimit -s xx 修改棧上限

7.12 小節(jié)

理解UNIX系統(tǒng)環(huán)境中C程序的環(huán)境是理解UNIX系統(tǒng)進(jìn)程控制特性 的先決條件。本章說明了一個(gè)進(jìn)程是如何啟動和終止的，如何向其傳遞 參數(shù)表和環(huán)境。雖然參數(shù)表和環(huán)境都不是由內(nèi)核進(jìn)行解釋的，但內(nèi)核起 到了從exec的調(diào)用者將這兩者傳遞給新進(jìn)程的作用。
本章也說明了C程序的典型存儲空間布局，以及一個(gè)進(jìn)程如何動態(tài) 地分配和釋放存儲空間。詳細(xì)地了解用于維護(hù)環(huán)境的一些函數(shù)是有意義 的，因?yàn)樗鼈兩婕按鎯臻g分配。本章也介紹了setjmp 和 longjmp 函 數(shù)，它們提供了一種在進(jìn)程內(nèi)非局部轉(zhuǎn)移的方法。最后介紹了各種實(shí)現(xiàn) 提供的資源限制功能。