csapp之第8章：異趁槐觯控制流

<h1 >0 理解異常控制流</h1>

<p>作為程序員若贮，理解異常控制流（Exceptional Control Flow）ECF很重要，原因：</p>

<ul>

<li><p>理解ECF將幫助你理解重要的系統(tǒng)概念。ECF是操作系統(tǒng)實現(xiàn)I/O次氨、進程和虛擬內(nèi)存的基本機制</p>

</li>

<li><p>理解ECF將幫助你理解應(yīng)用和系統(tǒng)是如何交互的。程序通過<code>trap</code>或<code>syscall</code>的ECF形式摘投，向系統(tǒng)請求服務(wù)</p>

</li>

<li><p>理解ECF將幫助編寫有趣的新應(yīng)用程序</p>

</li>

<li><p>理解ECF將有助于理解并發(fā)煮寡，ECF是系統(tǒng)中實現(xiàn)并發(fā)的基本機制。在運行中的并發(fā)的例子：</p>

<ul>

<li>中斷程序執(zhí)行的異常處理程序</li>

<li>時間上重疊執(zhí)行的進程和線程</li>

<li>中斷應(yīng)用程序執(zhí)行的異常處理程序</li>

</ul>

</li>

</ul>

<p>從開機到關(guān)機幸撕，處理器做的工作很簡單，每個CPU內(nèi)核只是簡單地讀和執(zhí)行指令外臂，每次一條坐儿。整個指令執(zhí)行的序列就是CPU<strong>控制流</strong></p>

<p>前面已經(jīng)學過兩種改變控制流的方式：</p>

<ul>

<li>跳轉(zhuǎn)和分支</li>

</ul>

<p>只適用于程序狀態(tài)的改變，很難應(yīng)對系統(tǒng)狀態(tài)的改變宋光，比如：</p>

<ul>

<li>數(shù)據(jù)從磁盤或網(wǎng)絡(luò)適配器讀取</li>

<li>用戶按ctrl-c</li>

<li>系統(tǒng)定時器超時</li>

</ul>

<p>因此系統(tǒng)需要叫做<strong>異趁部螅控制流</strong>的機制。它存在于系統(tǒng)每個層面：</p>

<ul>

<ul>

<li><strong>異常（Exceptions）</strong>：用以響應(yīng)系統(tǒng)事件罪佳，通常由硬件和操作系統(tǒng)實現(xiàn)</li>

</ul>

</li>

<ul>

<li><strong>進程切換（Process Context Switch）</strong>：系統(tǒng)軟件和硬件定時器實現(xiàn)</li>

<li><strong>信號（Signal）</strong>：系統(tǒng)軟件實現(xiàn)</li>

<li><strong>非本地跳轉(zhuǎn)（Nonlocal Jumps）</strong>：包括setjmp()和longjmp()逛漫。C運行時庫實現(xiàn)</li>

</ul>

</li>

</ul>

<p>異常指的是<strong>把控制權(quán)交給系統(tǒng)內(nèi)核以響應(yīng)某些事件</strong>（如處理器狀態(tài)的改變），系統(tǒng)內(nèi)核是操作系統(tǒng)常駐內(nèi)存的一部分赘艳，響應(yīng)的事件包括：除零酌毡、運算溢出、頁錯誤蕾管、IO請求完成或用戶按ctrl-c等系統(tǒng)級別的事件枷踏。過程如圖：</p>

<p>注意：<strong>中斷</strong>和<strong>陷阱</strong>（最重要用途是<strong>syscall</strong>）都是返回到下條指令，<strong>故障</strong>若被處理程序修正錯誤則返回當前指令重新執(zhí)行掰曾，否則返回到內(nèi)核中<strong>abort例程</strong>旭蠕，它會<strong>終止</strong>應(yīng)用程序，它從不將控制權(quán)返回給應(yīng)用程序旷坦。</p>

<p>每種事件都對應(yīng)唯一的異常編號掏熬，當異常發(fā)生時，系統(tǒng)通過查找異常表（Exception Table）中對應(yīng)的異常編號確定異常處理代碼塞蹭，過程如圖：</p>

<p>異步異常（Asynchronous Exception）也叫<strong>中斷</strong>（Interrupt）孽江，是由處理器外部事件引起。對執(zhí)行程序而言番电，“中斷”的發(fā)生完全是<strong>異步</strong>的岗屏，因為不知道什么時候會發(fā)生。CPU對其響應(yīng)也是被動的漱办，但可以屏蔽这刷。這種情況下：</p>

<ul>

<li>需設(shè)置CPU中斷指針</li>

<li>處理完后返回之前控制流下條指令</li>

</ul>

<p>常見中斷有：</p>

<ul>

<li>計時器中斷：每隔幾毫秒外部定時器芯片就會觸發(fā)一次中斷，被內(nèi)核用來從用戶程序拿回控制權(quán)</li>

<li>I/O中斷：類型較多：如鍵盤輸入ctrl-c娩井、來自網(wǎng)絡(luò)中包到達暇屋、來自磁盤的數(shù)據(jù)到達</li>

</ul>

<p>同步異常（Synchronous Exceptions）由執(zhí)行指令的結(jié)果導致的事件，包括三類：</p>

<thead>

<tbody><tr><td style='text-align:center;' >Trap</td><td style='text-align:center;' >為某事有意設(shè)置</td><td style='text-align:center;' >返回到先前下條指令</td><td style='text-align:center;' >系統(tǒng)調(diào)用洞辣、調(diào)試斷點</td></tr><tr><td style='text-align:center;' >Fault</td><td style='text-align:center;' >潛在可恢復錯誤</td><td style='text-align:center;' >返回當前指令或終止</td><td style='text-align:center;' >頁故障(page faults)</td></tr><tr><td style='text-align:center;' >Abort</td><td style='text-align:center;' >不可恢復的錯誤</td><td style='text-align:center;' >終止當前執(zhí)行的程序</td><td style='text-align:center;' >非法指令咐刨、硬件錯誤</td></tr></tbody>

</table></figure>

<p>在X86-64系統(tǒng)中昙衅，每個系統(tǒng)調(diào)用都有唯一的ID號，如：</p>

<thead>

<tbody><tr><td style='text-align:center;' >0</td><td style='text-align:center;' ><code>read</code></td><td style='text-align:center;' >讀取文件</td></tr><tr><td style='text-align:center;' >1</td><td style='text-align:center;' ><code>write</code></td><td style='text-align:center;' >寫入文件</td></tr><tr><td style='text-align:center;' >2</td><td style='text-align:center;' ><code>open</code></td><td style='text-align:center;' >打開文件</td></tr><tr><td style='text-align:center;' >3</td><td style='text-align:center;' ><code>close</code></td><td style='text-align:center;' >關(guān)閉文件</td></tr><tr><td style='text-align:center;' >4</td><td style='text-align:center;' ><code>stat</code></td><td style='text-align:center;' >文件信息</td></tr><tr><td style='text-align:center;' >57</td><td style='text-align:center;' ><code>fork</code></td><td style='text-align:center;' >創(chuàng)建進程</td></tr><tr><td style='text-align:center;' >59</td><td style='text-align:center;' ><code>execve</code></td><td style='text-align:center;' >執(zhí)行程序</td></tr><tr><td style='text-align:center;' >60</td><td style='text-align:center;' ><code>_exit</code></td><td style='text-align:center;' >關(guān)閉進程</td></tr><tr><td style='text-align:center;' >62</td><td style='text-align:center;' ><code>kill</code></td><td style='text-align:center;' >發(fā)送信號</td></tr></tbody>

</table></figure>

<p>用戶調(diào)用open打開文件定鸟，系統(tǒng)實際通過__open函數(shù)執(zhí)行編號為2的syscall而涉，返回值為負則出錯，匯編代碼如圖：</p>

<p>以Page Fault為例說明联予，Page Fault發(fā)生的前提是：用戶寫入內(nèi)存位置啼县，但該位置暫時不在內(nèi)存，系統(tǒng)榮過Page Fault異常把對應(yīng)的頁從磁盤拷貝到內(nèi)存沸久，代碼和流程如圖：</p>

<pre><code class='language-c' lang='c'>int a[1000];

int main()

{

? ? a[500] = 13;

}

</code></pre>

<p>但若代碼改成非法地址季眷，則整個流程會變成如圖：</p>

<p>系統(tǒng)向用戶進程發(fā)送SIGSEGV信號，用戶進程以segmentation fault的標記退出卷胯。</p>

<p>進程是程序的運行實例子刮，它是計算機科學中最重要的思想之一，進程給每個程序提供兩個關(guān)鍵的抽象诵竭，使得具體的進程不需操心處理器和內(nèi)存等細節(jié)话告，也保證不同情況下運行同樣的程序能得到相同的結(jié)果。兩個關(guān)鍵抽象如下：</p>

<ul>

<li>邏輯控制流：通過上下文切換(context switching)的內(nèi)核機制讓每個程序都感覺在獨占處理器</li>

<li>私有地址空間卵慰。通過虛擬內(nèi)存(virtual memory)的機制讓每個程序都感覺在獨占內(nèi)存</li>

</ul>

<p>盡管和每個私有地址空間相關(guān)聯(lián)的內(nèi)存的內(nèi)容一般不同沙郭，但每個這樣的空間都有相同的通用結(jié)構(gòu)，如圖：</p>

<p>多進程就是計算機同時運行多個進程裳朋，如web瀏覽器病线、email客戶端、編輯器鲤嫡、檢測網(wǎng)絡(luò)和IO設(shè)備等送挑。分為兩大類：</p>

<ul>

<li>傳統(tǒng)：單處理器交錯執(zhí)行多個進程（但可把并發(fā)進程看作并行運行），虛擬內(nèi)存系統(tǒng)管理地址空間暖眼，未運行進程的寄存器值存儲在內(nèi)存中惕耕，以便下次執(zhí)行時恢復（即上下文切換），切換時會載入已保存的將要執(zhí)行的進程的寄存器值</li>

<li>現(xiàn)代：現(xiàn)代處理器都有多個核心诫肠，多核處理器即單個芯片有多個CPU司澎，共享主要內(nèi)存和某些緩存，具體調(diào)度由內(nèi)核控制栋豫，每個CPU都可執(zhí)行單獨進程</li>

</ul>

<p>進程切換時挤安，由內(nèi)核負責調(diào)度，如圖：</p>

<p>處理器提供限制應(yīng)用可執(zhí)行的指令及可訪問的地址空間范圍的機制丧鸯，通常用某個控制寄存器中的一個<strong>模式位</strong>（mode biit）提供蛤铜，設(shè)置模式位時，進程就運行在內(nèi)核模式，可執(zhí)行任何指令且訪問系統(tǒng)任何內(nèi)存位置围肥，否則是用戶模式剿干，<strong>必須通過系統(tǒng)調(diào)用接口間接訪問內(nèi)核代碼和數(shù)據(jù)</strong>。</p>

<p>進程初始時在用戶模式虐先，改變?yōu)閮?nèi)核模式的唯一方法是通過中斷怨愤、陷入系統(tǒng)調(diào)用、故障這樣的異常蛹批，異常發(fā)生時，控制傳遞到異常處理程序篮愉，處理器將用戶模式變?yōu)閮?nèi)核模式腐芍，程序在內(nèi)核模式中運行，當控制返回到進程時试躏，處理器將模式從內(nèi)核模式變?yōu)橛脩裟Ｊ?lt;/p>

<h2 >3.3 上下文切換</h2>

<p>內(nèi)核用一種被稱為<strong>上下文切換</strong>（context switch）的較高層形式的異持碛拢控制流實現(xiàn)多任務(wù)，是建立在較低層異常機制上的颠蕴。內(nèi)核為每個進程維持一個上下文（context）泣刹，即重新啟動被搶占的進程所需的狀態(tài)：寄存器、用戶棧犀被、內(nèi)核棧及各種內(nèi)核數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)（如頁表椅您、進程表、已打開文件的信息的文件表）</p>

<p>內(nèi)核可決定搶占當前進程寡键，重新開始先前被搶占的進程掀泳，該決策叫調(diào)度（scheduling），由內(nèi)核中的調(diào)度器（scheduler）處理西轩。內(nèi)核調(diào)度新的進程運行后员舵，搶占當前進程，使用上下文切換機制將控制權(quán)轉(zhuǎn)移到新進程：</p>

<ol>

<li>保存當前進程上下文</li>

<li>恢復先前被搶占進程保存的上下文</li>

<li>控制權(quán)傳遞給該新恢復的進程</li>

</ol>

<h2 >4.1 系統(tǒng)調(diào)用錯誤處理</h2>

<p>出錯時藕畔，Linux系統(tǒng)函數(shù)通常返回-1且設(shè)置全局變量errno表示錯誤原因马僻。使用系統(tǒng)函數(shù)時牢記兩個原則：</p>

<ul>

<li>每個系統(tǒng)調(diào)用都應(yīng)檢查返回值</li>

<li>唯一例外是少數(shù)返回void的函數(shù)</li>

</ul>

<p>如對于fork()函數(shù)，應(yīng)檢查返回值：</p>

<pre><code class='language-c' lang='c'>if ((pid = fork()) < 0) {

fprintf(stderr, "fork error: %s\n", strerror(errno));

exit(-1);

}

</code></pre>

<h2 >4.2 錯誤處理包裝</h2>

<p>若嫌麻煩可用下面錯誤處理包裝函數(shù)注服，可進一步簡化代碼韭邓，Stevens首先提出該方法，定義相同參數(shù)的包裝函數(shù)但首字母大寫祠汇，包裝函數(shù)內(nèi)調(diào)用基本函數(shù)并檢查錯誤：</p>

<pre><code class='language-c' lang='c'>void unix_error(char *msg) /* Unix-style error */

{

fprintf(stderr, "%s: %s\n", msg, strerror(errno));

exit(-1);

}

//則fork()返回錯誤值的部分可改寫為

if ((pid = fork()) < 0)

unix_error("fork error");

</code></pre>

<p>更進一步仍秤，可把整個fork()包裝起來，就可自帶錯誤處理可很，如：</p>

<pre><code class='language-c' lang='c'>pid_t Fork(void)

{

pid_t pid;

if ((pid = fork()) < 0)

unix_error("Fork error");

return pid;

}

pid = Fork();//調(diào)用時則直接調(diào)用包裝的函數(shù)

</code></pre>

<h2 >4.3 獲取進程ID</h2>

<p>使用以下兩個函數(shù)獲取進程相關(guān)信息：</p>

<ul>

<li><code>pid_t getpid(void)</code>：返回當前進程PID</li>

<li><code>pid_t getppid(void)</code> - 返回當前進程的父進程的 PID</li>

</ul>

<h2 >4.4 進程生命周期</h2>

<p>從程序員的角度看诗力，可將進程看作是處于三種狀態(tài)之一：</p>

<thead>

<tbody><tr><td style='text-align:left;' >運行 Running</td><td style='text-align:left;' >進程要么正運行，要么等待被執(zhí)行或最終將會被內(nèi)核調(diào)度執(zhí)行</td></tr><tr><td style='text-align:left;' >停止 Stopped</td><td style='text-align:left;' >進程執(zhí)行被掛起（suspended），并且在進一步收到<code>SIGCONT</code>信號前不會被調(diào)度執(zhí)行</td></tr><tr><td style='text-align:left;' >終止 Terminated</td><td style='text-align:left;' >進程被永久停止</td></tr></tbody>

</table></figure>

<p>當然還包括新建（new）和就緒（ready）苇本，待補充袜茧。</p>

<p>包括三種情況：</p>

<ul>

<li>接收到終止信號</li>

<li>調(diào)用<code>exit</code>函數(shù)，注意該函數(shù)被調(diào)用一次但從不返回</li>

</ul>

<h3 >4.4.2 創(chuàng)建進程</h3>

<p>父進程調(diào)用<code>fork</code>創(chuàng)建新進程瓣窄，注意該函數(shù)執(zhí)行一次笛厦，但返回兩次，子進程返回0俺夕，父進程返回子進程PID裳凸，函數(shù)原型：</p>

<pre><code class='language-c' lang='c'>// 子進程，返回 0劝贸，父進程姨谷，返回子進程的 PID

int fork(void)

</code></pre>

<p>注意：子進程和父進程幾乎完全相同，子進程獲得父進程虛擬地址空間相同但獨立的副本映九，獲得相同的父進程打開的文件描述符拷貝梦湘，但子進程有和父進程不同的PID</p>

<p>完全拷貝執(zhí)行狀態(tài)：</p>

<ul>

<li>指定一個為父，一個為子</li>

<li>恢復父或子的執(zhí)行</li>

</ul>

<ul>

<li>虛擬內(nèi)存和內(nèi)存映射解釋<code>fork</code>如何為每個進程提供私有地址空間</li>

<li>創(chuàng)建當前進程的<code>mm_struct</code>件甥、<code>vm_area_struct</code>和頁表的精確拷貝捌议，標記每個進程的每個頁為只讀，標記每個進程的每個<code>vm_area_struct</code>為私有COW引有，每個進程有精確的虛擬內(nèi)存拷貝</li>

<li>后續(xù)寫操作使用COW機制創(chuàng)建新頁</li>

</ul>

<pre><code class='language-c' lang='c'>int main()

{

? ? pid_t pid;

? ? int x = 1;

? ? pid = Fork();

? ? if (pid == 0) {? // Child

? ? ? ? printf("I'm the child!? x = %d\n", ++x);

? ? ? ? return 0;

? ? }

? ? // Parent

? ? printf("I'm the parent! x = %d\n", --x);

? ? return 0;

}

</code></pre>

<ul>

<li>調(diào)用一次返回兩次</li>

<li>并行執(zhí)行瓣颅，無法預計父進程和子進程執(zhí)行順序，因此執(zhí)行結(jié)果有兩種</li>

<li>雙方有相同的但獨立的地址空間（變量獨立）</li>

<li>共享文件轿曙，繼承所有打開文件弄捕，如都把它們的輸出顯示在屏幕，因為父調(diào)fork時导帝，stdout是打開守谓，子繼承并輸出到指向的屏幕</li>

</ul>

<ul>

<li>問題：Linux調(diào)度器不會產(chǎn)生太多run-to-run的變化，在不確定中隱藏潛在的競爭關(guān)系您单，如<code>fork</code>是先返回child還是parent?</li>

<li>解決：創(chuàng)建自定義的庫例程斋荞，在不同的分支中插入隨機延遲；使用運行時定位使程序使用特殊版本的庫代碼</li>

</ul>

<pre><code class='language-c' lang='c'>/* fork wrapper function */

pid_t fork(void) {

initialize();

int parent_delay = choose_delay();

int child_delay = choose_delay();

pid_t parent_pid = getpid();

pid_t child_pid_or_zero = real_fork();

if (child_pid_or_zero > 0) {

/* Parent */

if (verbose) {

printf("Fork. Child pid=%d, delay = %dms. Parent pid=%d, delay = %dms\n",child_pid_or_zero, child_delay,parent_pid, parent_delay);

fflush(stdout);

}

ms_sleep(parent_delay);

} else {

/* Child */

ms_sleep(child_delay);

}

return child_pid_or_zero;

}

</code></pre>

<p>進程圖是一個很有用的工具虐秦，可捕獲并發(fā)程序中部分語句的順序：For the process graph, as long as topological sorting is satisfied, it is a possible output</p>

<ul>

<li>每個節(jié)點表示一條執(zhí)行的語句</li>

<li>邊可以用當前變量的值來標記</li>

<li><code>printf</code> 節(jié)點可用輸出來標記</li>

<li>每個圖由一個入度為 0 的點起始</li>

</ul>

<p>對于進程圖來說平酿，只要滿足拓撲排序，就是可能的輸出悦陋。嵌套的<code>fork</code>示例：</p>

<h2 >4.6 回收子進程</h2>

<h3 >4.6.1 回收子進程</h3>

<ul>

<li>定義：即使進程已終止蜈彼，但還未被回收的進程還在消耗系統(tǒng)資源，如<code>exit</code>狀態(tài)俺驶、系統(tǒng)表幸逆，稱之為僵尸進程，”半死不活“。</li>

<li>回收：可以采用回收(Reaping) 的方法还绘。父進程用 <code>wait</code> 或 <code>waitpid</code> 回收已終止的子進程楚昭，然后父進程給系統(tǒng)提供退出狀態(tài)信息，kernel 就會刪除 zombie child process拍顷。</li>

<li>父進程不回收：若父進程不回收子進程的話抚太，通常會被 <code>init</code> 進程(pid == 1)回收（所以一般不必顯式回收），除非ppid==1昔案，然后需要重啟尿贫。所以僅長期運行的進程，需要顯式回收（例如 shells 和 servers）爱沟。</li>

</ul>

<h3 >4.6.2 僵尸進程和孤兒進程示例</h3>

<p><strong>孤兒進程</strong>指子進程正運行帅霜，父進程突然退出，子進程就是孤兒進程呼伸。進程都需要一父進程，否則進程退出后無法回收進程描述符钝尸，消耗資源括享，該進程會找到一個父進程，若所在進程組沒進程收養(yǎng)珍促，就作為<code>init</code>進程的子進程</p>

<h3 >4.6.3 <code>wait</code>和<code>waitpid</code></h3>

<ul>

<li><code>wait</code>：父進程回收子進程調(diào)用該函數(shù)铃辖，函數(shù)聲明為：<code>int wait(int *child_status)</code>，由<code>syscall</code>實現(xiàn)猪叙，等待當前進程直到它的一個子進程終止娇斩，返回終止進程的PID，如果<code>child_status</code>非空穴翩，那么它所指向的整數(shù)將被設(shè)置為表明子進程終止的原因和退出狀態(tài)的值犬第，可用<code>WIFEXITED</code>等宏檢查，shlab中有用到芒帕。若有多個孩子進程則按任意順序歉嗓，同樣可用宏檢查退出狀態(tài)。</li>

</ul>

<pre><code class='language-c' lang='c'>void fork10() {

pid_t pid[N];

int i, child_status;

for (i = 0; i < N; i++)

if ((pid[i] = fork()) == 0) {

exit(100+i); /* Child */

}

for (i = 0; i < N; i++) { /* Parent */

pid_t wpid = wait(&child_status);

if (WIFEXITED(child_status))

printf("Child %d terminated with exit status %d\n",

wpid, WEXITSTATUS(child_status));

else

printf("Child %d terminate abnormally\n", wpid);

}

</code></pre>

<p>注意：若多個子進程完成背蟆，按任意順序鉴分；可用宏<code>WIFEXITED</code>和<code>WEXITSTATUS</code>獲取退出狀態(tài)的信息</p>

<ul>

<li><code>waitpid</code>：暫停當前進程直到進程描述符為pid的進程終止，函數(shù)聲明為：<code>pid_t waitpid(pid_t pid, int *status, int options)</code></li>

</ul>

<pre><code class='language-c' lang='c'>void fork11() {

pid_t pid[N];

int i;

int child_status;

for (i = 0; i < N; i++)

if ((pid[i] = fork()) == 0)

exit(100+i); /* Child */

for (i = N-1; i >= 0; i--) {

pid_t wpid = waitpid(pid[i], &child_status, 0);

if (WIFEXITED(child_status))

printf("Child %d terminated with exit status %d\n",

wpid, WEXITSTATUS(child_status));

else

printf("Child %d terminate abnormally\n", wpid);

}

</code></pre>

<p>可修改函數(shù)中的options為：WNOHANG带膀、WUNTRACED志珍、WCONTINUED各種組合修改默認行為。同樣也可像<code>wait</code>一樣垛叨，若<code>status</code>參數(shù)非空伦糯，該函數(shù)就會在<code>status</code>指向的地方放上導致返回的子進程的狀態(tài)信息，可用WIFEXITED、WEXITSTATUS舔株、WIFSIGNALED莺琳、WITERMSIG、WIFSTOPPED载慈、WSTOPSIG惭等、WIFCONTINUED宏檢查已回收子進程的退出狀態(tài)。</p>

<h3 >4.6.4 execve</h3>

<p>想在進程載入其他的程序办铡，就需要該函數(shù)辞做。函數(shù)聲明：<code>int execve(char *filename, char *argv[], char *envp[])</code>，執(zhí)行<code>filename</code>的程序（可以是二進制文件或腳本）寡具，參數(shù)和環(huán)境變量分別為<code>argv</code>和<code>envp</code>秤茅，重寫code、data和stack童叠，保留PID框喳、打開文件和信號上下文，調(diào)用一次且不返回除非出錯厦坛。</p>

<h1 >5 signal</h1>

<p>已經(jīng)學習硬件和軟件合作提供基本的底層異常機制五垮，也看到利用異常來支持進程上下文切換的異常控制流形式杜秸，更高層的軟件形式的異常被稱為信號放仗，允許進程和內(nèi)核中斷其他進程。</p>

<p><strong>信號</strong>提醒進程一個事件已經(jīng)發(fā)生撬碟，類似異常和中斷诞挨，異常和中斷是從硬件發(fā)往內(nèi)核，信號由內(nèi)核（在其他進程的請求下）向進程發(fā)出呢蛤，可能異步也可能同步發(fā)生惶傻。例如：硬件異常、硬件中斷顾稀、另一個進程中的事件达罗、另一個進程的顯式請求。</p>

<p>每個信號都有name和ID静秆，大多信號能被進程處理粮揉，就像中斷處理程序，函數(shù)指針表抚笔，每個進程都有一個默認的動作扶认，若信號沒被處理，通常要么被忽略（ignore）要么中斷進程（terminate process）</p>

<p>常用信號的編號及簡介：</p>

<thead>

<tbody><tr><td>用戶按ctrl-c</td><td>SIGINT</td><td>2</td><td>終止</td></tr><tr><td>強制中斷（不能被處理）</td><td>SIGKILL</td><td>9</td><td>終止</td></tr><tr><td>段沖突</td><td>SIGSEGV</td><td>11</td><td>終止且dump</td></tr><tr><td>時鐘信號</td><td>SIGALRM</td><td>14（可變）</td><td>終止</td></tr><tr><td>子進程停止或終止</td><td>SIGCHLD</td><td>17（可變）</td><td>忽略</td></tr></tbody>

</table></figure>

<p>當事件發(fā)生時殊橙，內(nèi)核<strong>發(fā)送</strong>信號辐宾，如硬件異常狱从、硬件中斷、另一個進程發(fā)生某些事（如exit）叠纹、另一個進程要求發(fā)送信號季研。</p>

<p>當內(nèi)核使目標進程對信號作出響應(yīng)時，內(nèi)核<strong>傳遞</strong>（delivers）信號誉察。如執(zhí)行處理程序与涡、執(zhí)行默認操作。</p>

<p>發(fā)送和傳遞信號之間可能存在延遲持偏，通常是因為進程不能立刻被調(diào)度驼卖，延遲期間，信號處于待處理（pending）狀態(tài)</p>

<h3 >5.2.2 待處理和阻塞信號</h3>

<p>如果信號已被發(fā)送但是未被接收鸿秆，那么處于<strong>待處理狀態(tài)</strong>(pending)酌畜，注意：信號不排隊，任何時刻一個類型至多只有一個待處理信號卿叽，因此若進程有一個類型為K的待處理的信號桥胞，則后續(xù)的被發(fā)送給進程的類型為K的信號都被直接丟棄。進程也可以<strong>阻塞</strong>特定信號的接收考婴，直到信號被解除阻塞埠戳。</p>

<p>目標進程以某種方式對信號的傳遞做出響應(yīng)時，進程<strong>接收</strong>信號蕉扮，可能響應(yīng)的操作：</p>

<ul>

<li><strong>忽略</strong>（ignore）：忽略該型號，不作任何響應(yīng)</li>

<li><strong>終止</strong>（terminate）：終止進程颗圣，可能core dump</li>

<li><strong>捕獲</strong>（catch）：執(zhí)行用戶層的函數(shù)：信號處理器(signal handler)喳钟，類似響應(yīng)異步中斷而調(diào)用的硬件異常處理程序(exception handler)</li>

</ul>

<h3 >5.2.4 待處理和阻塞位</h3>

<p>內(nèi)核在每個進程的上下文中維護等待（pending）和阻塞（blocked）位集合</p>

<ul>

<li>等待信號集合：表示等待信號集合，當類型為k的信號被傳遞在岂，內(nèi)核將位k置為pending奔则，當接收到類型為k的信號時，內(nèi)核清除待處理的位k蔽午，任何時刻每種類型為k的信號只有一個</li>

<li>阻塞信號集合：表示阻塞信號集合易茬，可用<code>sigprocmask</code>函數(shù)設(shè)置和清除，也稱為信號掩碼</li>

</ul>

<p>每個進程都只屬于一個進程組及老，如圖：</p>

<p>一般使用如下函數(shù)：</p>

<ul>

<li><code>getpgrp()</code> - 返回當前進程的進程組</li>

<li><code>setpgid()</code> - 設(shè)置一個進程的進程組</li>

</ul>

<p>可以通過 <code>kill</code> 來發(fā)送信號給進程組或進程（包括自己）抽莱，如圖：</p>

<pre><code class='language-c' lang='c'>void fork12()

{

pid_t pid[N];

int i;

int child_status;

for (i = 0; i < N; i++)

if ((pid[i] = fork()) == 0) {

/* Child: Infinite Loop */

while(1)

;

}

for (i = 0; i < N; i++) {

printf("Killing process %d\n", pid[i]);

kill(pid[i], SIGINT);

}

for (i = 0; i < N; i++) {

pid_t wpid = wait(&child_status);

if (WIFEXITED(child_status))

printf("Child %d terminated with exit status %d\n",

wpid, WEXITSTATUS(child_status));

else

printf("Child %d terminated abnormally\n", wpid);

}

</code></pre>

<p>可通過鍵盤讓內(nèi)核向每個前臺進程發(fā)送 SIGINT(SIGTSTP) 信號</p>

<ul>

<li>SIGINT - <code>ctrl+c</code> 默認終止進程</li>

<li>SIGTSTP - <code>ctrl+z</code> 默認停止（掛起）進程</li>

</ul>

<h3 >5.3.2 信號傳遞細節(jié)</h3>

<p>假定內(nèi)核正從一個異常處理程序返回，且準備將控制權(quán)傳給進程p骄恶，內(nèi)核會計算進程 p 的 pnb 值：<code>pnb = pending & ~blocked</code></p>

<ul>

<li><p>如果 <code>pnb == 0</code>食铐，那么就把控制交給進程 p 的邏輯流中的下一條指令</p>

</li>

<ul>

<li>選擇 <code>pnb</code> 中最小的非零位 k，并強制進程 p 接收信號 k</li>

<li>接收到信號之后僧鲁，進程 p 會執(zhí)行對應(yīng)的動作</li>

<li>對 <code>pnb</code> 中所有的非零位進行這個操作</li>

<li>最后把控制交給進程 p 的邏輯流中的下一條指令</li>

</ul>

</li>

</ul>

<p>每個信號類型都有一個默認動作虐呻，可能是以下的情況：</p>

<ul>

</ul>

<ul>

<li>終止進程并 dump core</li>

<li>停止進程象泵，收到 <code>SIGCONT</code> 信號之后重啟</li>

<li>若進程停止則進程重啟</li>

</ul>

<h3 >5.4.1 注冊信號處理程序</h3>

<p><code>sigaction</code>函數(shù)改變與接收信號相關(guān)的程序，原型是：<code>int sigaction(int signum,const struct sigaction *sa,struct sigaction *old_sa)</code>斟叼，sa結(jié)構(gòu)提設(shè)置新的處理程序偶惠，選項包括<code>ignore</code>、默認處理器朗涩、調(diào)用該函數(shù)忽孽，也有控制信號傳遞細節(jié)的選項，若old_sa非空馋缅，則old action存儲在這扒腕。</p>

<pre><code class='language-c' lang='c'>#include <signal.h>

#include <stdio.h>

void sigint_handler(int sig) {

// Doesn’t do anything but interrupt the call to pause() below.

}

int main(void) {

struct sigaction sa;

// Sensible defaults. Use these unless you have a reason not to.

sigemptyset(&sa.sa_mask);

sa.sa_flags = SA_RESTART;

// The handler for SIGINT will be sigint_handler.

sa.sa_handler = sigint_handler;

? ? if (sigaction(SIGINT, &sa, 0) != 0)

unix_error("signal error");

/* Wait for the receipt of a signal */

pause();

puts("Ctrl-C received, exiting.");

return 0;

}

</code></pre>

<h3 >5.4.2 作為并發(fā)流的信號處理程序</h3>

<p>信號處理程序是獨立的邏輯流（不是進程），與主程序并發(fā)運行萤悴，但該流只存在直到返回主程序</p>

<p>此外瘾腰，信號處理程序也可被其他信號處理程序中斷，控制流如下：</p>

<h3 >5.4.3 阻塞和非阻塞信號</h3>

<ul>

<li><p>隱式阻塞機制：內(nèi)核會阻塞與當前在處理的信號同類型的其他正等待的信號覆履，如一個 SIGINT 信號處理器是不能被另一個 SIGINT 信號中斷的蹋盆。</p>

</li>

<li><p>顯式阻塞機制：使用 <code>sigprocmask</code> 函數(shù)，以及其他輔助函數(shù)：</p>

<ul>

<li><code>sigemptyset</code> ：創(chuàng)建空集</li>

<li><code>sigfillset</code> ：把所有的信號都添加到集合中（因為信號數(shù)目不多）</li>

<li><code>sigaddset</code> ：添加指定信號到集合中</li>

<li><code>sigdelset</code> ：刪除集合中的指定信號</li>

</ul>

</li>

</ul>

<p>臨時阻塞信號示例：</p>

<pre><code class='language-c' lang='c'>sigset_t mask, prev_mask;

Sigemptyset(&mask); // 創(chuàng)建空集

Sigaddset(&mask, SIGINT); // 把 SIGINT 信號加入屏蔽列表中

// 阻塞對應(yīng)信號硝全，并保存之前的集合

Sigprocmask(SIG_BLOCK, &mask, &prev_mask);

... // 這部分代碼不會被 SIGINT 中斷

// 取消阻塞信號栖雾，恢復原來的狀態(tài)

Sigprocmask(SIG_SETMASK, &prev_mask, NULL);

</code></pre>

<h3 >5.4.4 安全處理信號</h3>

<p>Handler是十分棘手，因為它們和主程序并發(fā)執(zhí)行且共享相同的全局數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)伟众，所以不被保護的數(shù)據(jù)可能會被破壞析藕，這里提供一些基本的指南幫助避免問題：</p>

<ul>

<li><p>規(guī)則 1：信號處理器越簡單越好</p>

<ul>

<li>例如：設(shè)置一個全局的標記，并返回</li>

</ul>

</li>

<li><p>規(guī)則 2：信號處理器中只調(diào)用異步且信號安全(async-signal-safe)的函數(shù)</p>

<ul>

<li>諸如 <code>printf</code>, <code>sprintf</code>, <code>malloc</code> 和 <code>exit</code> 都是不安全的凳厢！</li>

</ul>

</li>

<li><p>規(guī)則 3：在進入和退出的時候保存和恢復 <code>errno</code></p>

<ul>

<li>這樣信號處理器就不會覆蓋原有的 <code>errno</code> 值</li>

</ul>

</li>

<li><p>規(guī)則 4：臨時阻塞所有的信號以保證對于共享數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的訪問</p>

<ul>

<li>防止可能出現(xiàn)的數(shù)據(jù)破壞</li>

</ul>

</li>

<li><p>規(guī)則 5：用 <code>volatile</code>關(guān)鍵字聲明全局變量</p>

<ul>

<li>這樣編譯器就不會把它們保存在寄存器中账胧，保證一致性</li>

</ul>

</li>

<li><p>規(guī)則 6：用 <code>volatile sig_atomic_t</code>來聲明全局標識符(flag)</p>

<ul>

<li>flag是只能讀或?qū)懙淖兞浚@樣定義后就不需像其他全局變量被保護</li>

</ul>

</li>

</ul>

<h3 >5.4.5 異步信號安全</h3>

<p>指兩類函數(shù)：</p>

<ul>

<li>所有變量都保存在幀棧中的可重入函數(shù)</li>

<li>不會被信號中斷的函數(shù)</li>

</ul>

<p>Posix 標準指定了 117 個異步信號安全(async-signal-safe)的函數(shù)（可通過 <code>man 7 signal-safety</code> 查看）先紫，常用的<code>printf治泥、sprintf、malloc遮精、exit</code>都不是居夹。</p>

<h3 >5.4.6 信號安全代碼示例</h3>

<ul>

<li>同步避免父子競爭：</li>

</ul>

<pre><code class='language-c' lang='c'>int main(int argc, char **argv)

{

int pid;

sigset_t mask_all, mask_one, prev_one;

int n = N; /* N = 5 */

Sigfillset(&mask_all);

Sigemptyset(&mask_one);

Sigaddset(&mask_one, SIGCHLD);

Signal(SIGCHLD, handler);

initjobs(); /* Initialize the job list */

while (n--) {

Sigprocmask(SIG_BLOCK, &mask_one, &prev_one); /* Block SIGCHLD */

if ((pid = Fork()) == 0) { /* Child process */

Sigprocmask(SIG_SETMASK, &prev_one, NULL); /* Unblock SIGCHLD */

Execve("/bin/date", argv, NULL);

}

Sigprocmask(SIG_BLOCK, &mask_all, NULL); /* Parent process */

addjob(pid); /* Add the child to the job list */

Sigprocmask(SIG_SETMASK, &prev_one, NULL); /* Unblock SIGCHLD */

}

exit(0);

}

</code></pre>

<ul>

<li>顯式等待信號：</li>

</ul>

<pre><code class='language-c' lang='c'>volatile sig_atomic_t pid;

void sigchld_handler(int s)

{

int olderrno = errno;

pid = Waitpid(-1, NULL, 0); /* Main is waiting for nonzero pid */

errno = olderrno;

}

void sigint_handler(int s)

{

}

</code></pre>

<pre><code class='language-c' lang='c'>int main(int argc, char **argv) {

sigset_t mask, prev;

int n = N; /* N = 10 */

Signal(SIGCHLD, sigchld_handler);

Signal(SIGINT, sigint_handler);

Sigemptyset(&mask);

Sigaddset(&mask, SIGCHLD);

//Similar to a shell waiting for a foreground job to terminate.

while (n--) {

Sigprocmask(SIG_BLOCK, &mask, &prev); /* Block SIGCHLD */

if (Fork() == 0) /* Child */

exit(0);

/* Parent */

pid = 0;

Sigprocmask(SIG_SETMASK, &prev, NULL); /* Unblock SIGCHLD */

? ? ? ? /* Wait for SIGCHLD to be received (wasteful!) */

while (!pid)

;

/* Do some work after receiving SIGCHLD */

printf(".");

}

printf("\n");

exit(0);

}

</code></pre>

<ul>

<li>使用<code>sigsuspend</code>等價于不可中斷版本：</li>

</ul>

<pre><code class='language-c' lang='c'>sigprocmask(SIG_SETMASK, &mask, &prev);

pause();

sigprocmask(SIG_SETMASK, &prev, NULL);

</code></pre>

<pre><code class='language-c' lang='c'>int main(int argc, char **argv) {

sigset_t mask, prev;

int n = N; /* N = 10 */

Signal(SIGCHLD, sigchld_handler);

Signal(SIGINT, sigint_handler);

Sigemptyset(&mask);

Sigaddset(&mask, SIGCHLD);

while (n--) {

Sigprocmask(SIG_BLOCK, &mask, &prev); /* Block SIGCHLD */

if (Fork() == 0) /* Child */

exit(0);

? ? ? ? /* Wait for SIGCHLD to be received */

pid = 0;

while (!pid)

Sigsuspend(&prev);

/* Optionally unblock SIGCHLD */

Sigprocmask(SIG_SETMASK, &prev, NULL);

/* Do some work after receiving SIGCHLD */

printf(".");

}

printf("\n");

exit(0);

}

</code></pre>

<h2 >5.5 非本地跳轉(zhuǎn)</h2>

<h3 >5.5.1 非本地跳轉(zhuǎn)</h3>

<p>本地跳轉(zhuǎn)的限制在于不能從一個函數(shù)跳轉(zhuǎn)到另一個函數(shù)中。若突破限制本冲，C語言提供用戶級異匙贾控制流形式，叫非本地跳轉(zhuǎn)眼俊，就要使用 <code>setjmp</code> 或 <code>longjmp</code> 來進行<strong>非本地跳轉(zhuǎn)</strong>（Nonlocal Jumps）意狠。強大(但危險)用戶級機制，用于將控制權(quán)轉(zhuǎn)移到任意位置疮胖，打破<code>call/return</code>調(diào)用機制环戈，對錯誤恢復和信號處理有幫助闷板。</p>

<p><code>setjmp</code> 聲明是：<code>int setjmp(jmp_buf j)</code>，必須在<code>longjmp</code>前調(diào)用院塞，為后續(xù)<code>longjmp</code>標識返回地址遮晚，調(diào)用一次返回一次或多次，保存當前程序的寄存器上下文(register context)拦止、棧指針县遣、PC寄存器值在<code>jmp_buf</code>中，注意汹族，保存的堆棧上下文環(huán)境僅在調(diào)用 <code>setjmp</code> 的函數(shù)內(nèi)有效萧求，如果調(diào)用 <code>setjmp</code> 的函數(shù)返回，保存的上下文環(huán)境就失效了顶瞒。直接返回值為 0夸政。</p>

<p><code>longjmp</code> 聲明是：<code>void longjmp(jmp_buf j, int i)</code>，<code>setjmp</code>后被調(diào)用榴徐，調(diào)用一次但永遠不返回守问，將會從緩存j中恢復由 <code>setjmp</code> 保存的程序堆棧上下文，跳轉(zhuǎn)到j(luò)中保存的地址坑资，設(shè)置<code>%eax</code>（返回值）為i耗帕，而不是<code>setjmp</code>的0</p>

<pre><code class='language-c' lang='c'>/* Deeply nested function foo */

void foo(void)

{

if (error1)

longjmp(buf, 1);

bar();

}

void bar(void)

{

if (error2)

longjmp(buf,2);

}

jmp_buf buf;

int error1 = 0;

int error2 = 1;

void foo(void), bar(void);

int main()

{

switch(setjmp(buf)) {

case 0:

foo();

break;

case 1:

printf("Detected an error1 condition in foo\n");

break;

case 2:

printf("Detected an error2 condition in foo\n");

break;

default:

printf("Unknown error condition in foo\n");

}

exit(0);

}

</code></pre>

<h3 >5.5.2 非本地跳轉(zhuǎn)的限制</h3>

<p>只能跳轉(zhuǎn)到已經(jīng)調(diào)用但尚未完成（函數(shù)還在棧中）的函數(shù)環(huán)境</p>

<p>P2在跳轉(zhuǎn)的時候已返回，棧幀在內(nèi)存中已被清理袱贮，所以P3中的 <code>longjmp</code> 并不能實現(xiàn)期望的操作</p>

<h1 >6 操作進程的工具</h1>

<ul>

<li>STRACE：打印正運行的程序和它子進程調(diào)用的每個系統(tǒng)調(diào)用的軌跡仿便，靜態(tài)編譯程序可得到干凈不帶大量與共享庫相關(guān)的輸出的軌跡</li>

<li>PS：列出當前系統(tǒng)中所有進程（包括僵尸進程）</li>

<li>TOP：打印當前進程資源使用信息</li>

<li>/proc：虛擬文件系統(tǒng)，以ASCII碼輸出大量內(nèi)核數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)內(nèi)容</li>

</ul>

<p>異吃芪。控制流（ECF）發(fā)生在系統(tǒng)各層次探越，是系統(tǒng)提供并發(fā)的基本機制：</p>

<ul>

<li>硬件層：四種類型異常</li>

<li>操作系統(tǒng)層：內(nèi)核用ECF提供進程基本概念，進程提供兩個重要抽象：邏輯控制流和私有地址空間</li>

<li>操作系統(tǒng)和程序之間的接口：程序可創(chuàng)建子進程窑业，等進程停止或終止，運行新程序以及捕獲其他進程的信號</li>

<li>應(yīng)用層：C程序可用非本地跳轉(zhuǎn)規(guī)避正常調(diào)用/返回棧規(guī)則枕屉，直接從一個函數(shù)分支道另一個函數(shù)</li>

</ul>

?著作權(quán)歸作者所有,轉(zhuǎn)載或內(nèi)容合作請聯(lián)系作者

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