[APUE] 程式環境

sinkinben發表於2021-01-25

? APUE 一書的第七章學習筆記。

程式終止

有 8 種方式可以使得程式終止，5 種為正常方式：

  1. Return from main
  2. Calling exit()
  3. Calling _exit or _Exit
  4. Return of the last thread from its start routine
  5. Calling pthread_exit from the last thread

3 種非正常終止方式：

  1. Calling abort
  2. Receipt of a signal
  3. Response of the last thread to a cancellation request

退出函式

函式原型：

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

區別：_exit/_Exit 會立即進入核心；exit 先執行清理處理（對所有開啟的 Stream 執行 fclose ），後進入核心。

exit(k) 相當於在 main 函式中 return k ，最近一個程式的退出碼可以在 Shell 中使用 echo $? 獲取。

回撥函式 atexit

按照 ISO C 標準，一個程式最多可以登記 32 個回撥函式，這些函式稱為終止處理程式 (exit handler)，由 exit 來呼叫。

函式原型：

int atexit(void (*func)(void));
// Returns: 0 if OK, nonzero on error

exit 呼叫終止處理函式的順序與登記順序相反（_exit/_Exit 則不會呼叫）；如果登記多次，也會被呼叫多次。

例子：

void test1() { printf("A "); }
void test2() { printf("B "); }
int main()
{
    atexit(test1);
    atexit(test1);
    atexit(test2);
    // 如果呼叫下面 2 個函式，則不會有輸出
    // _exit(0), _Exit(0)
}
// Output: B A A

下圖展示了一個 C 程式如何啟動和終止的過程，也顯示了 exit, _exit, _Exit, atexit 這 4 個函式的關係。

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環境表

環境表 (Environment List), 與命令列引數 argv 一樣，是一個 char* 陣列。

下列程式可以列印所有的環境引數：

#include <stdio.h>
extern char **environ;
int main()
{
    int i;
    for (i = 0; environ[i] != NULL; i++)
        puts(environ[i]);
}

輸出一大片：

TERM=xterm-256color
SHELL=/bin/bash
...
USER=sinkinben
LS_COLORS=rs=0:di=01;...
PATH=...
MAIL=/var/mail/sinkinben
PWD=/home/sinkinben/workspace/apue
HOME=/home/sinkinben
...
_=./a.out

C 儲存佈局

如下圖所示，一個 C 程式由以下部分組成：

  • text 段：這是 CPU 執行的機器指令部分。text 段通常是隻讀（防止意外修改）和可共享的，即使是頻繁執行的程式，它們的 text 段在記憶體中只會存在 1 個副本。（難怪我的 Mac 開機第一次呼叫 clang++ 會特別慢）
  • 初始化資料段（簡稱資料段）：包括初始化的全域性變數和 static 修飾的變數。
  • 未初始化的資料段（簡稱 bss 段）：在程式開始執行前，由 exec 初始化為 0 或者空指標。（確實，我還以為是隨機值）
  • 棧：區域性變數，函式呼叫。
  • 堆：動態記憶體分配。
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這是一種典型的邏輯佈局，但不是所有的實現都是如此，具體取決於實際的 OS 和硬體。對於 32 位 Intel x86 架構的 Linux，text 段從 0x80480000 開始，棧從 0xC0000000 開始向低地址增長。

可以通過 size 命令獲取一個 C 程式的各個段大小，dec, hex 分別是前 3 個數字的總和的十進位制和十六進位制：

$ size /bin/bash 
   text    data     bss     dec     hex filename
 997958   36496   23480 1057934  10248e /bin/bash

共享庫

共享庫 (Shared Libraries): 對於一些常用的公共函式庫，只需要在所有程式都可引用的儲存區儲存一份副本。程式第一次呼叫某個庫函式的同時，用動態連結的方式將程式與庫函式相連結。這就減少了可執行檔案的大小，但增加了一些執行時開銷。

使用 Shared Libraries 的另外一個優點是：可以動態更新某個庫的版本，而不需要重新對使用該庫的程式重新連結。

使用 gcc -static 可指定生成的可執行檔案使用靜態連結。

$ gcc test.c ; size ./a.out 
   text    data     bss     dec     hex filename
   1099     544       8    1651     673 ./a.out
$ gcc test.c -static ; size ./a.out 
   text    data     bss     dec     hex filename
 823142    7284    6360  836786   cc4b2 ./a.out

動態記憶體分配

相關函式：

#include <stdlib.h>
void *malloc(size_t size);
void *calloc(size_t nobj, size_t size); 
void *realloc(void *ptr, size_t newsize);
// All three return: non-null pointer if OK, NULL on error
void free(void *ptr);

作用：

  • malloc: 申請指定位元組數的記憶體，該記憶體的值不確定。
  • calloc: 為指定數量，指定長度的物件分配記憶體，並初始化為 0 。
  • realloc: 增加或者減少 ptr 指向記憶體區的長度。當增加長度時，可能需要將之前的資料拷貝到另外一個足夠大的記憶體區（也有可能是在原有基礎上增加一段連續記憶體），新增區域的初始值不確定。

環境變數

getenv

#include <stdlib.h>
char *getenv(const char *name);
// Returns: pointer to value associated with name, NULL if not found

獲取環境變數。例子：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
int main()
{
    puts(getenv("JAVA_HOME"));
}
// Output: /usr/local/java/jdk1.7

putenv, setenv, unsetenv

相關 API：

#include <stdlib.h> 
int putenv(char *str);
// Returns: 0 if OK, nonzero on error
int setenv(const char *name, const char *value, int rewrite); 
int unsetenv(const char *name);
// Both return: 0 if OK, −1 on error

改變當前程式以及後續產生的子程式的環境變數（實際上是修改程式的環境表）。作用分別如下：

  • putenv: 把 name=value 的環境變數新增到環境表，如果 name 已存在，則刪除原來的定義。
  • setenv: 將 name 設定為 value 。rewrite = 0/1 表示是否覆蓋已有的 name （如果有的話）。
  • unsetenv: 刪除 name ，如果不存在則什麼都不做。

getrlimit, setrlimit

每個程式都有一組資源限制，可以通過 getrlimit, setrlimit 進行查詢和修改：

#include <sys/resource.h>
int getrlimit(int resource, struct rlimit *rlptr);
int setrlimit(int resource, const struct rlimit *rlptr);
// Both return: 0 if OK, −1 on error

resource 是形如 RLIMIT_CPU 的一組巨集定義。

結構體 rlimit 的定義如下：

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

修改操作需要遵循以下規則：

  • cur <= max
  • 可以降低 rlim_max ，但必須大於等於 rlim_cur.
  • 只有超級使用者程式可以提高 rlim_max 。

修改資源限制會應當當前程式和它的子程式，所以 Shell 中一般會內建 ulimit 命令來修改當前 Shell 的資源限制。

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