APUE学习记录——进程环境

进程相关概念

1、什么是进程？
　　通俗的说，进程是一个具有一定独立功能的程序的一次运行活动。，对于Linux这种多任务操作系统来说，每一个运行者的程序就构成一个进程，可以用cat /proc/sys/kernel/pid_max命令查看系统支持的最大进程数，我在Ubuntu14.04中得到的结果是32768。
2、进程与程序的区别与联系
（1）进程是动态的，程序是静态的
（2）一个进程只对应一个程序，一个程序可以对应多个进程；
（3）进程的生命周期是有限的，而程序则可以永久保存与磁盘中。
3、进程的特点：动态性、并发性、独立性、异步性
动态性：由进程的概念可知，程序运行起来才是进程，所以具有动态性
并发性：就是说在同一时间可以同时执行多个进程，这叫做并发性
独立性：进程是一个能独立运行的基本单位，同时也是系统分配资源和调度的独立单位；
异步性：所谓异步性是指进程以不可预知的速度向前推进。每个进程何时执行，何时暂停，以怎样的速度向前推进，何时完成等，都是不可预知的。
4、进程的三态——就绪、执行、阻塞

　　　　　　　　　图一：进程执行过程的三态
进程执行过程：　　
　　如图一所示，进程A被创建后进入就绪态，通过进程调度占用CPU进入执行态，用完时间片后回到就绪态等待下一次被调度；
　　在执行过程中如果遇到I/O请求（如访问磁盘、文件）且得不到满足（如磁盘、文件正在被进程B占用），则进程A进入阻塞态，CPU被让出来给其他进程使用，待B进程使用完磁盘、文件后，A进程便解除阻塞状态去执行I/O操作，但由于进入阻塞时让出了CPU，所以I/O完成后A进程只能回到就绪状态了。

5、进程互斥、临界资源、临界区
进程互斥：指若干进程都要使用某一资源，但该资源在同一时刻最多允许一个进程使用（临界资源），这时其他进程必须等待，直到占用该资源者释放了该资源为止。
临界资源：操作系统中将同一时刻只允许一个进程访问的资源称为临界资源。
临界区：进程中访问临界资源的那段程序代码称为临界区。为实现对临界资源的互斥访问，应保证诸进程互斥地进入各自的临界区。
6、进程同步
　　一组进程按一定的顺序执行的过程称为进程间的同步，具有同步关系的这组进程称为合作进程。
7、进程调度
　　在任何时刻，一个CPU上运行的进程只能有一个，但系统中就绪的进程有很多，所以操作系统系统按一定算法，从一组待运行的进程中选出一个来占有CPU运行，这就是进程调度。
　　常见的调度算法有：先来先服务、短进程优先、高优先级优先、时间片轮转法
8、调度时机
　　按调度时机，调度分为抢占式调度和非抢占式调度。
　　举个例子，A、B两个进程，A优先级高B优先级低，B进程正在运行，此时A进程请求占用CPU，由于A的优先级高，抢占式调度会强制使B进程结束使A进程运行，而非抢占式调度会等B进程执行完毕再使A进程执行。

进程环境

1、main()函数与命令行参数

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

　　argc是命令行参数的数目，argv是指向各个命令行参数的指针构成的指针数组，其中，argv[0]一定指向程序名，argv[argc]是一个空指针。
　　我们在使用 shell 命令的时候经常使用各种参数， 如gcc main.c -o main、ls -l，shell可以把这些参数传递给程序，具体就是传递给main函数的argc和argv了。
　　举一个例子，实现shell的echo命令（PS:shell的echo并不回显argv[0]）
　　

/*
**程序说明：实现echo命令——将命令行参数回显到标准输出
*/

#include 
#include 

int main(int argc, char *argv[])
{
    int i = 0;

    if (argc < 2)
    {
        printf("\n");
        exit(0);
    }

    for (i = 1; argv[i] != NULL; i++)
    /*或者for (i = 1; i < argc; i++)*/
        printf("%s ", argv[i]);

    printf("\n");

    exit(0);
}

　　运行结果，说明命令行参数的确传递给了main函数。

2、进程终止(termination)
　　Linux系统有8种方式可以使进程终止，其中5种正常终止，3种异常终止。
　　5种正常终止：
　　（1）从main函数返回
　　（2）调用exit
　　（3）调用_exit或_Exit
　　（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种异常终止：
　　（6）调用abort
　　（7）接到一个信号
　　（8）最后一个线程对取消请求做出响应
　　我们暂且只讨论前三种，其他的等学到信号和线程时再说。
　　（1）从main函数返回：在main()中使用return语句返回一个int值给调用者，返回0表示正常终止，其他表示异常终止。
　　在说明（2）（3）之前我们先看一下这三个函数的原型：
　　

#include 
void exit(int status);
void _Exit(int status);

#include 
void _exit(int status);

　　首先，_exit和_Exit是系统调用，会立即结束程序；调用exit会先执行一些处理操作（如调用终止处理程序、冲洗I/O流等等），然后调用_exit或_Exit结束程序；
　　其次，三个函数都带有一个整形参数status，我们称其为退出状态(exit status)，取值范围为0-255，每一个取值都对应着一种退出状态；
　　最后，在main函数中调用exit(ststus)等价于调用return status。
3、atexit

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

               /*返回值：若成功，返回0；若失败，返回非0*/

　　用atexit注册过的函数会在调用exit时以注册顺序的逆序被调用，被注册的函数称为“终止处理程序”（exit handler）。
　　“注册”这个词语听起来可能不太好懂，其实很简单啦，就是把终止处理程序的函数名（也就是函数地址）作为参数传递给atexit，但是，终止处理程序必须是无参无返回值的。
　　举个例子说明顺序注册逆序调用是怎么一回事：
　　

/*
**程序说明：使用atexit函数
*/

#include 
#include 

/*
**声明两个终止处理函数my_atexit1和my_atexit2
*/
static void my_atexit1(void);
static void my_atexit2(void);

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

    if (atexit(my_atexit2) != 0)  /*这里只是注册，并不执行终止处理程序*/
        printf("can't register my_atexit2\n");
    else 
        printf("register my_atexit2 first time done\n");

    if (atexit(my_atexit1) != 0)
        printf("can't register my_atexit1\n");
    else 
        printf("register my_atexit1 first time done\n");

    if (atexit(my_atexit1) != 0)
        printf("can't register my_atexit1\n");
    else 
        printf("register my_atexit1 second time done\n");  

    printf("main is done and before exit\n");

    exit(0);
}

static void my_atexit1(void)
{
    printf("my_atexit1\n");
}

static void my_atexit2(void)
{
    printf("my_atexit2\n");
}

　　编译并运行结果，大家应该明白了吧！

　　注意终止处理程序每注册一次，就会被调用一次，my_exit1注册了两次，所以有两条打印语句。
4、环境表与环境变量
　　每个程序都收到一张环境表，环境表是一个字符指针数组，其每个元素都指向一个形如name=value的环境字符串，而全局变量extern char **environ又指向环境表这个字符指针数组，environ叫做环境指针。这样，环境指针、环境表、环境字符串构成了环境，如图二所示：
　　
　　　　　　　　　　　　　　　　图二 由5个环境字符串组成的环境
　　1）用environ指针查看整个环境，可以用如下方式：　　

#include 

extern char **environ;  /*全局变量，环境指针*/

int main()
{
    int i;

    /*
    **查看整个环境，必须使用environ指针
    */
    for(i = 0; environ[i] != NULL; i++)
        printf("environ[%d]: %s\n", i, environ[i]);

    return 0;
}

运行部分结果：

　　2）getenv从环境中取名字为name的环境变量的值，返回指向value的指针

#include 
char *getenv(const char *name);

          /*返回值：若找到，返回与name关联的value指针；否则，返回NULL*/

　　３）putenv、setenv、unsetenv修改环境变量

#include 
int putenv(char *str);
             /*返回值：若成功，返回0；若失败，返回非0*/
int setenv(const char *name, const char *value, int rewrite);
int unsetenv(const char *name);
            /*两个函数返回值：若成功，返回0；若失败，返回-1*/

putenv：用“name=value”形式的字符串，添加或修改环境表，如果name已存在，则先删除原来定义，然后用新值替换，如putenv(“PATH=/usr/apue”);

setenv：将name设置为value，这里分两种情况：
a） name不存在，直接添加新的环境变量。
b） name已存在：若rewrite为真，就用 value 覆盖 name 原来的值；若rewrite为假，则保留 name 原来的值。

unsetenv：删除name的定义，若name不存在也不算出错。
2）、3）部分测试代码：

#include .h>
#include .h>

int main()
{      
    /*
    **查看指定环境变量的值
    */  
    printf("HOME = %s\n", getenv("HOME"));  
    printf("PATH = %s\n", getenv("PATH"));        
    printf("PWD = %s\n", getenv("PWD"));

    /*
    **修改环境变量
    */
    putenv("PWD=/home/");                     /*注意=两边不能有空格*/
    printf("PWD = %s\n", getenv("PWD"));      /*putenv直接用新值替换*/ 

    setenv("PATH", "/user/local/bin", 0);
    printf("PATH = %s\n", getenv("PATH"));    /*rewrite=0，不用新值替换*/ 

    setenv("PATH", "/user/local", 1);
    printf("PATH = %s\n", getenv("PATH"));    /*rewrite=1，用新值替换*/

    unsetenv("PWD");
    if (!getenv("PWD"))
        printf("PWD is deleted\n");           /*PWD环境变量被删除*/

    return 0;
}

运行结果：

　　关于修改环境变量要注意一点，我们所做的修改只在当前进程和修改之后产生的子进程有效，而不能影响父进程（通常为shell）的环境，也就是说你这个程序运行结束，你做的修改就全部无效，这是用env命令查看可发现所有的环境变量都已回到初始的样子。　　
5、C程序的存储空间布局　
一个C程序从低地址到高地址依次是正文段（代码段、text段）、初始化数据段（data段）、未初始化数据段（bss段）、堆（heap）、栈（stack）这几个部分组成，一种典型的存储空间布局如图三所示：

　　　　　　　　　　　　　　图三 典型的存储空间安排
正文段（text段）：通常是可共享的、只读的，对于32位Intel x86处理器的Linux，正文段一定从0x08048000开始。代码块外const修饰的只读变量存放在此位置。
初始化数据段（data段）：存放已初始化的变量，有两张情况:
a）代码块外已初始化的变量
b）代码块内用static修饰的已初始化变量
未初始化数据段（bss段）：存放未初始化数据，也有两种情况：
a）代码块外未初始化的变量
b）代码块内用static修饰的未初始化变量
堆（heap）：我们经常用malloc、calloc进行动态存储分配，分配的空间就在堆中进行。
栈（stack）：存放代码块内没有用ststic修饰的自动变量等数据，代码块内const修饰的只读变量也存放在栈中。
　　以上各个段都存放哪些数据大家一定要牢记，最好是在理解了const和static的基础上记忆，效果更好。
　　既然提到了const和static，那就顺便复习下这两个关键字（PS:这两个关键字的含义在可是经常出现在面试中哦）
　　const的作用：
　　1）const是作为类型的附加修饰符来使用的，用const修饰的变量必须在声明时初始化，而且该变量是只读的，既它的值不能被更改；
　　2）提高代码可读性和可维护性。关键字const可以为读代码的人传达非常有用的信息，可以让读者很清楚的知道这些变量的值不能被修改，同时也为代码的维护提供了方便。
　　3）const也提供给编译器一些有用的信息，一旦不小心修改了这些变量的值，编译器会报错。
　　static的作用：
　　在C语言中：
　　1）static用于所有函数体外的全局变量声明，表明该变量只能在声明它的源文件中使用；
　　2）static用于函数的定义，表明该函数只能在声明它的源文件中使用；
　　3）static用于函数体内的局部变量声明，其作用域为该函数体，表明该变量的内存只在第一次调用该函数时分配一次，其值在下次调用时仍维持上次的值，而且一直到整个程序运行结束才销毁。
　　在C++中除了上面3条，还有下面2条：
　　4）在类中的static成员变量属于整个类所拥有，对类的所有对象只有一份拷贝；
　　5）在类中的static成员函数属于整个类所拥有，这个函数不接收this指针，因而只能访问类的static成员变量。
　　堆向高内存地址生长，栈向低内存地址生长，堆顶和栈底之间有一块很大的未用空间，叫做虚地址空间，当堆和栈的空间不够用时，就分别从两个方向向其扩展。
6、存储空间分配　
　　和存储空间分配相关的函数：

#include 

/*分配指定字节数的存储区，存储区中初始值不确定*/
void *malloc(size_t size);

/*
**为指定数量指定长度的对象分配空间，
**空间中每一位都初始化为0。
**但不保证此0与空指针的NULL或浮点数0相同
*/
void *calloc(size_t nobj, size_t size);

/*增加或减少以前分配区（ptr指向的地址）的长度，新增区域初始值不确定*/
void *realloc(void *ptr, size_t newsize);

/*申请的空间用完后必须释放，否则会造成内存泄露*/
void free(void *ptr);

7、函数setjmp和longjmp　
　　这两个函数的功能是跨越函数（或者说跨越栈帧）进行跳转，它们在处理深层次嵌套函数的返回是非常有用的。
　　举个例子：假如有1000个嵌套的for循环，在最后一层嵌套中出错要返回，正常情况需要一层一层的返回，这显然是费时的，而有了这两个函数，我们就可直接跳转到最外层for循环之外，是不是很方便呢？
　　让我们看下这两个函数的原型：
　　

#include 
int setjmp(jmp_buf env);
             /*返回值;若直接调用，返回0；若从longjmp返回，则为非0*/
void longjmp(jmp_buf env, int val);

　　这两个函数是相互配合使用的，我们一般先调用setjmp这个函数来设置跳转点，此时函数返回值是0，它的参数env是一个特殊类型jump_buf，通常定义为全局变量。
　　调用longjmp可以跳转到setjmp所在的位置，此时setjmp会再执行一次，但这次返回值就不是0了，而是longjmp的第二个参数val，val的值可以自己设置，它的作用是判断究竟是从哪个位置跳转回来的，所以 setjmp下面一般跟着一组if…else if或者switch来根据不同的返回值做不同的处理。
　　特殊的，如果val = 0，则 setjmp的返回值是 1，这样规定是为了避免跳转出现死循环。
　　举个例子：

#include 
#include 
#include 

static jmp_buf jmpbuffer;
int ret;

static void f1();
static void f2();
static void f3();
static void f4();

int main()
{
    ret = setjmp(jmpbuffer);   //设置跳转点

    if (ret == 0)  //第一跳
    {
        printf("first jump: from main()\n");
        printf("Begin: main() call f1()\n");   
        f1();      
    }   
    else           //第二跳
    {
        printf("second jump: from f%d()\n", ret);
    }

    return 0;
}

static void f1()
{
    printf("Begin: f1() call f2()\n");
    f2();
    printf("End: f1 call f2()\n");
}

static void f2()
{
    printf("Begin: f2()() call f3()\n");
    f3();
    printf("End: f2 call f3()\n");
}

static void f3()
{
    printf("Begin: f3()() call f4()\n");
    f4();
    printf("End: f3 call f4()\n");
}

static void f4()
{
    longjmp(jmpbuffer, 4);
}

运行结果：

---

结尾：进程的相关概念和进程环境暂且大概就是这些了，目前我的理解还比较浅，还写不出多么深刻的内容，也只能把书上的知识加以总结，以后有了更深的理解后，再来对这篇博客内容进行修改。

---