CSAPP--第八章：异常处理

异常

程序在执行中，遇到突发的事件而转入内核模式处理。

异常处理流程

通过异常基址寄存器，加上异常号（索引），可以访问唯一的异常处理程序。

访问异常表

而由异常表，可以跳转到指定的异常处理程序。

异常表

异常的种类

异常可以分为四类：
中断（interrupt）、系统调用（陷阱trap）、故障（fault）、终止（abort）
每种类型又包含了多个不同的具体异常。

异常类型

异常处理中，有处理器设计师制定的异常，也有操作系统指定的异常。
如linux-86-64中，0-31为cpu指定异常，32-255为linux制定的异常。如下图：

部分具体异常

进程和并发

进程（process）：系统中某个正在运行的程序。
并发（concurrency）：在时间宏观上，如果几个进程时间重复（同时运行），则称他们为并发进行。但是微观上，其所占用的时间片是不重复的，由操作系统进行调度分配。（单个处理器）
（并行（parallel）通常指多个cpu，在微观上时间也是同时进行。）
逻辑控制流：当有多个进程运行时，某进程的所占用所有时间片（可连续可不连续）称为逻辑控制流。
物理控制流cpu实际处理指令的顺序。
现代计算机中，采用了并发的方式运行，但宏观抽象上，每个进程具有连续性，内存独占性。

三个进程的状态图

单个进程运行的内存抽象图

进程切换

用户模式：进程占用时间片，正常运行时的模式，其只能访问自己被分配的内存空间及少量系统函数。
内核模式（超级用户模式）：当时间片结束或进程发生异常事件，控制转移到操作系统，此时为内核模式，可以访问所有内存空间，和所有系统函数寄存器模式位也改变。
当一个进程由于时间片结束，或者异常事件，而转到另一个进程时，是由操作系统完成的。
操作系统采用上下文切换（context switch）的方式，转移当前进程各种寄存器状态等，然后储存在内核内存中，然后开始或恢复另一个进程。

进程的控制转换

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创建、终止进程

• 几个头文件stdlib.h、unistd.h。linux：sys/wait等

• pid_t fork()

  父进程通过调用fork()函数创建一个新的子进程，子进程的所有数据、指令、状态与父进程一样，在内存也分配了一个独立的空间。

  1：fork()函数调用一次，但是会返回两次，一次是在父进程中，返回子进程的pid；一次是在子进程中，返回0；

  2：子进程和父进程并发执行。

  3：相同但是独立的地址空间。当子进程创建时，其内存空间内完全复制父进程，但是两个是独立不干扰的。

  //画进程图对于分析父、子进程很有帮助，尤其在多次fork（）时。

• exit(status)

  进程终止。

回收子进程

当子进程已终止时，内核此时并没有立即将其清除，而是保持在已终止状态，直到父进程回收（reaped）它。另外，操作系统维护了一个init进程，pid=1，是所有进程的祖先。

一个终止了但还没回收的进程叫做僵死进程（zombie）。

• pid_t waitpid（ pid_t pid，int *statusp，int options ）

  父进程通过调用这个函数，可以等待子进程终止。

  pid_t是int类型，statusp是指向退出状态的指针(即exit(status)中的status)，options实现不同的waitpid。

  options：

  WNOHANG：

  WUNTRACED：

  WCONTINUED：

检查已回收子进程的退出状态

定义了几个宏来进行检查：WIFEXITED(status)、WEXITSTATUS(status)、WIFSIGNALED(status)、WTERMSIG(status)、WIFSTOPPED(status)、WSTOPSIG(status)、WIFCONTINUED(status)。

• 错误条件

  如果调用进程没有子进程，那么waitpid返回-1，并且设置errno为ECHILD。

  如果waitpid函数被一个信号中断，那么它返回-1，并且设置errbo 为EINTR。

• pid_t wait(int *statusp);

  waitpid的简单版本，等于waitpid(-1，statusp，0)

  //-1代表所有子进程。

让进程休眠

• unsigned int sleep(unsigned int ) //返回还要休眠的时间。

  可以进行简单包装，输出时间。

  int pause（void）；//暂停进程。

加载并运行程序

include\inlcude

• int execve（const char *filename , const char *argv[] , const char *envp[]);

  //运行一个可执行程序filename，占有当前进程的地址空间。成功不返回，失败返回1

  当成功加载运行filename后，控制将传递给新进程的main函数，mian函数的原型为：

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

  实验说明：

  在fun：main函数中，执行execve("myecho",NULL,NULL)，然后确实也运行了myecho程序，但是在myecho:main中，此时为：

  int main(0,NULL,NULL){ ... }。

  可能是由于继承了原来进程的运行环境，所以也能正常运行，但是此时输出main的参数和环境变量都为NULL了。

• char *getenv(const char *name);

  //返回指向环境变量envp[0]，即name=value

• int setenv（const char *name，const char *newvalue，int overwrite）；

  //设置环境变量，成功返回0，错误返回-1；

• void unsetenv(const char *name);

  //会删除envp[0]。

利用fork()、execve()实例

• 如linux中的shell命令行工具

  其功能为：1：读命令行。2：解析命令行。

  在解析中提取命令行参数，如果参数argv[0]是内置命令，则直接运行。如果是可执行目标文件，则会fork()一个分支。

  然后由最后一个参数，判断是前端还是后端(&)，选择shell是等待还是继续运行。

  实例参照CSAPP p527

信号

分两步，内核发送信号，进程接收信号：

发送信号

• 进程组

  每个进程只属于一个进程组。

  pid_t getpgrp( void ); //返回当前进程的进程组号。

  int setpgid( pid_t pid , pid_t pgid ); //改变pid进程的进程组号。

  //①如果pid=0，则使用当前进程的pid号；②如果pgid=0，则将进程组的pid号改为pid。

  //通常进程组号，是父进程的pid号

• 用 "/bin/kin"程序来发送信号

  如： /bin/kill -9 15213 //给15213进程组发送信号9（SIGKILL），-9代表发送到所有组内成员

• 用kill函数发送信号

  int kill( pid_t pid , int sig ); //测试linux里是小写kill，包括很多其他类似函数。

  //①pid<0：发送信号给|pid|组的所有进程；②pid=0：发送信号给本进程组所有进程；

  //③0

  //？只能发送SIGKILL么？

• 用alarm函数发送信号

  unsgined int alarm( unsigned int secs );

  alarm函数安排内核在secs秒后，发送一个SIGALRM信号给调用进程。

接收信号

• 用signal函数来修改信号处理程序

  typedef void (*sighandler_t) (int);

  sighandler_t signal( int signum , sighandler_t handler )

  //signum为信号，handler为一个处理函数。详见CSAPP p532

• 用sigprocmask函数来显式阻塞和接触阻塞信号

  blocked位信号：内核为每个进程在blocked位向量上，维护了被阻塞的信号集合。

  int sigprocmask ( int how , const sigset_t *set , sigset_t * oldset );

  根据how的不同，而采取不同的方式，how=：

  • SIG_BLOCK：添加set里面的信号，到blocked中。

  • SIG_UNBLOCK：从blocked中，删除set里面的信号。

  • SIG_SETMASK：block=set。

  而之前的值，会保存在oldset中。

• 处理set中的信号

  int sigemptyset(sigset_t *set)； //将set初始化为空。

  int sigfillset(sigset_t *set); //将每个信号都添加到set中

  int sigaddset(sigset_t *set , int signum); //添加信号signum到set中

  int sigdelset(sigset_t *set , int signum); //从set中删除信号signum。出错返回-1，否则返0

  int sigismember( const sigset_t *set , int signum ); //signum是set成员返1，否则返0.

编写信号处理程序

• 五个要点：

  ①处理程序尽量简单；②调用安全函数；③保存和释放errno；④保护对共享数据结构的访问；⑤使用volatile和sig_atomic_t来声明全局变量和标志。

• 中间还有两节没学，等以后需要在学。

操作进程的工具：

• linux中：

  strace：打印正在运行的程序，和他的子进程调用的，每个系统调用的轨迹。

  ps：列出当前系统中的进程（包括僵死）

  top：打印出当前进程资源使用的信息。

  pmap：显示进程的内存映射。

  /proc：虚拟文件系统。以ASCII格式输出大量内核（数据结构）的内容。如：cat/proc/loadavg，输出平均负载。