从零开始UNIX环境高级编程(7):进程环境

0. 引言

在学习进程控制前，先了解进程运行的环境，如：main函数是如何被调用的；命令行参数是如何传递给新程序的；程序在内存空间中是什么样的结构；进程的终止方式等。

进程环境

1. main函数

1.1 程序执行的入口函数

虽然C程序总是从main函数开始执行，但是内核使用exec函数执行C程序时，在调用main前会先调用一个启动例程，这个启动例程就是_start。以下面这段代码为例，通过gcc test.c -o test编译生成可执行文件test。

/*test.c*/
int main()
{
    return 0;
}

使用objdump对test进行分析，得到反汇编结果如下，可以看出main函数地址为0x4004b4，在_start有去调用到mov $0x4004b4,%rdi。这个示例只是为了证明main函数是由启动例程_start调用的，此处不过多的去探究反汇编得到的这些符号的含义，有兴趣的同学可以参考 程序员的自我修养：链接、装载与库中第11章的第1节 入口函数和程序初始化。

ckt@ubuntu:~/work/unix/code/chapter7$ objdump -S -d signal.o
... ...

00000000004003d0 <_start>:
  4003d0:   31 ed                   xor    %ebp,%ebp
  4003d2:   49 89 d1                mov    %rdx,%r9
  4003d5:   5e                      pop    %rsi
  4003d6:   48 89 e2                mov    %rsp,%rdx
  4003d9:   48 83 e4 f0             and    $0xfffffffffffffff0,%rsp
  4003dd:   50                      push   %rax
  4003de:   54                      push   %rsp
  4003df:   49 c7 c0 50 05 40 00    mov    $0x400550,%r8
  4003e6:   48 c7 c1 c0 04 40 00    mov    $0x4004c0,%rcx
  4003ed:   48 c7 c7 b4 04 40 00    mov    $0x4004b4,%rdi
  4003f4:   e8 c7 ff ff ff          callq  4003c0 <__libc_start_main@plt>
  4003f9:   f4                      hlt    
  4003fa:   90                      nop
  4003fb:   90                      nop
 
  ... ...

  00000000004004b4 
:
  4004b4:   55                      push   %rbp
  4004b5:   48 89 e5                mov    %rsp,%rbp
  4004b8:   b8 00 00 00 00          mov    $0x0,%eax
  4004bd:   5d                      pop    %rbp
  4004be:   c3                      retq   
  4004bf:   90                      nop
... ...

1.2 命令行参数

接着来看main函数的参数，main函数原型如下

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

通过命令行运行一个C程序时，我们可以通过命令行传入参数。main函数中的参数argc表示参数个数，argv中存放的是参数值。

• 示例
  使用如下代码打印出从命令行传入的参数

#include "apue.h"

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

• 运行结果

ckt@ubuntu:~/work/unix/code/chapter7$ cc get_arg.c -o get_arg
ckt@ubuntu:~/work/unix/code/chapter7$ ./get_arg
./get_arg
ckt@ubuntu:~/work/unix/code/chapter7$ ./get_arg test1 test2 test3 
./get_arg
test1
test2
test3

1.3 环境表

大多数UNIX系统支持main函数带3个参数，其中第3个参数envp就是环境变量表的地址，和argv一样，evnp也是一个数组

int main(int argc, char const *argv[], char *envp[])

envp示意图

• 示例
  打印出当前程序的环境变量表

#include "apue.h"

void printinfo(char * info)
{
    int i = 0;
    while (info[i] != '\0')
    {
        printf("%c", info[i]);
        i++;
    }
    printf("  ");
}

int main(int argc, char const *argv[], char *envp[])
{
    while (*envp != NULL)
    {
        printinfo(*envp);
        envp++;
    }

    printf("\n");

    return 0;
}

• 运行结果
  由于打印的环境变量值太多，省略部分打印结果。

ckt@ubuntu:~/work/unix/code/chapter7$ cc get_environ.c -o get_environ
ckt@ubuntu:~/work/unix/code/chapter7$ ./get_environ
SSH_AGENT_PID=2030  SHELL=/bin/bash  OLDPWD=/home/ckt/work/unix/code/chapter10  
LANG=en_US.UTF-8 HOME=/home/ckt _=./get_environ  

2. C程序的存储空间布局

C程序通常由5个部分组成：

• 正文段(.text)：存放CPU的机器指令
• 初始化数据段(.data)：存放全局静态变量和局部静态变量
• 未初始化数据段(.bss)：存未初始化的全局变量和局部静态变量
• 栈(stack)：存放局部变量和函数调用时所需保存的信息
• 堆(heap)：动态分配的变量

典型的存储空间安排

我们同样可以通过objdump去分析各个段，如果想要了解更多细节，请参考使用readelf和objdump解析目标文件

程序与目标文件对应关系

3. 共享库

共享库使得可执行文件中不再需要包含公用的库函数，只需要在进程可引用的储存区保存这个库例程的一个副本。共享库有以下两个优点：
1. 减少了可执行文件的长度
2. 可以用库函数的新版本代替老版本，而无需对使用该库的程序重新连接编辑

• 示例

先用无共享方式创建可执行文件a.out，并使用size命令查看正文段和数据段的长度

ckt@ubuntu:~/work/unix/code/chapter7$ gcc -static test.c 
ckt@ubuntu:~/work/unix/code/chapter7$ ls -l a.out 
-rwxrwxr-x 1 ckt ckt 883375 Apr 24 04:30 a.out
ckt@ubuntu:~/work/unix/code/chapter7$ size a.out 
   text    data     bss     dec     hex filename
 790568    6128   11272  807968   c5420 a.out

再使用共享库编译此程序，得到的可执行文件的正文和数据段长度明显减小

ckt@ubuntu:~/work/unix/code/chapter7$ gcc test.c
ckt@ubuntu:~/work/unix/code/chapter7$ ls -l a.out 
-rwxrwxr-x 1 ckt ckt 8326 Apr 24 04:30 a.out
ckt@ubuntu:~/work/unix/code/chapter7$ size a.out 
   text    data     bss     dec     hex filename
   1076     496      16    1588     634 a.out

4. 动态存储空间分配

存储空间分配

5. 环境变量

当我们登录Linux之后，使用shell来跟系统进行通信，在进入shell之前，系统需要一些变量来提供它的数据访问(如是否显示彩色、当前路径和主文件夹的路径等)，这些变量就是环境变量。为了区别于自定义变量，环境变量通常用大写字符表示。

5.1 终端中获取和设置环境变量

使用env命令可以列出当前shell环境下的所有环境变量

ckt@ubuntu:~/work/unix/code/chapter7$ env
SSH_AGENT_PID=2030
GPG_AGENT_INFO=/tmp/keyring-NWSXuo/gpg:0:1
TERM=xterm
SHELL=/bin/bash
XDG_SESSION_COOKIE=b2968a33ddb5564574638ff00000000f-1492995827.229855-1165390831
WINDOWID=71303173
OLDPWD=/home/ckt/work/unix/code/chapter10
GNOME_KEYRING_CONTROL=/tmp/keyring-NWSXuo
USER=ckt
... ...

使用echo $环境变量名命令可以查看单个环境变量，例如，当前路径保存在环境变量PWD中

ckt@ubuntu:~/work/unix/code/chapter7$ echo $PWD
/home/ckt/work/unix/code/chapter7

使用PATH=$PATH:/home/ckt/work/unix/给PTAH变量追加路径/home/ckt/work/unix/

ckt@ubuntu:~/work/unix/code/chapter7$ echo $PATH
/home/ckt/work/msm8939-la-2-1/LINUX/android/out/host/linux-x86/bin:/home/ckt/work/adt-bundle-linux-x86_64-20140702/sdk/platform-tools:/home/ckt/bin:/usr/lib/lightdm/lightdm:/usr/local/sbin:/usr/local/bin:/usr/sbin:/usr/bin:/sbin:/bin:/usr/games
ckt@ubuntu:~/work/unix/code/chapter7$ PATH=$PATH:/home/ckt/work/unix/
ckt@ubuntu:~/work/unix/code/chapter7$ echo $PATH
/home/ckt/work/msm8939-la-2-1/LINUX/android/out/host/linux-x86/bin:/home/ckt/work/adt-bundle-linux-x86_64-20140702/sdk/platform-tools:/home/ckt/bin:/usr/lib/lightdm/lightdm:/usr/local/sbin:/usr/local/bin:/usr/sbin:/usr/bin:/sbin:/bin:/usr/games:/home/ckt/work/unix/
ckt@ubuntu:~/work/unix/code/chapter7$ 

5.2 使用getenv获得环境变量

• 示例

#include "apue.h"

int main(int argc, char const *argv[])
{
    char * home = NULL;
    char * shell = NULL;
    char * path = NULL;

    if ((home = getenv("HOME")) != NULL)
        printf("%s\n", home);

    if ((shell = getenv("SHELL")) != NULL)
        printf("%s\n", shell);

    if ((path = getenv("PATH")) != NULL)
        printf("%s\n", path);

    return 0;
}

• 运行结果

ckt@ubuntu:~/work/unix/code/chapter7$ cc getenv_test.c -o getenv_test
ckt@ubuntu:~/work/unix/code/chapter7$ ./getenv_test
/home/ckt
/bin/bash
/home/ckt/work/msm8939-la-2-1/LINUX/android/out/host/linux-x86/bin:/home/ckt/work/adt-bundle-linux-x86_64-20140702/sdk/platform-tools:/home/ckt/bin:/usr/lib/lightdm/lightdm:/usr/local/sbin:/usr/local/bin:/usr/sbin:/usr/bin:/sbin:/bin:/usr/games

5.3 通过函数设置环境变量

• 示例

#include "apue.h"

void print_pwd(char * info)
{
    char * pwd = NULL;

    printf("%s : ", info);

    if ((pwd = getenv("PWD")) != NULL)
        printf("%s\n", pwd);
    else
        printf("pwd is NULL \n");

}

int main(int argc, char const *argv[])
{
    print_pwd("before setenv");

    if (setenv("PWD", "test", 1) < 0)
        err_sys("setenv error");

    print_pwd("after setenv");

    if (unsetenv("PWD") < 0)
        err_sys("unsetenv error");

    print_pwd("after unsetenv");

    return 0;
}

• 运行结果

ckt@ubuntu:~/work/unix/code/chapter7$ cc setenv_test.c -o setenv_test
ckt@ubuntu:~/work/unix/code/chapter7$ ./setenv_test
before setenv : /home/ckt/work/unix/code/chapter7
after setenv : test
after unsetenv : pwd is NULL 

6. 进程终止

进程终止

参考

• 《UNIX环境高级编程（第3版）》第7章 进程环境
• 《鸟哥的Linux私房菜(第三版)》 第11章 认识和学习 BASH
• 《程序员的自我修养：链接、装载与库》第3章 目标文件里面有什么
• 《程序员的自我修养：链接、装载与库》第11章 运行库
• main函数和启动例程