《APUE》 – Chapter7 进程环境

7.1 概述

我们学习的编程语言都有一个“入口”，通常来说，我们会认为main函数即为程序的开始，其实不是这样的，在调用main函数之前，需要进行一系列的准备，比如准备进程所需的环境变量，外部传入的命令行参数等。

同样的，在main函数return时，通常意味着我们编写的程序结束了，但在程序结束之前通常也会做一些“善后”的工作，而在这些工作完成后，我们的程序才算是真正意义上的运行完毕了。

本章就带你对进程的环境一探究竟，带你了解进程环境那些事儿。

本章重点

程序的生命周期

程序的存储空间布局

共享库

内存分配

非局部跳转

7.2 程序的生命周期

一个标准C程序的main函数签名如下:

int main(int argc, char *argv[]);

当内核执行一个C程序时，在调用main函数之前会先调用一个特殊的“启动例程（start-up routine）”，可执行程序文件将这个启动例程指定为程序的起始地址。启动例程从内核取得命令行参数和环境变量，然后为main函数做好安排。

而在我们企图将进程结束时，通常会使用以下几种方式:

1. 在main函数内return
2. 调用exit
3. 调用_exit或_Exit

其中1和2比较常用，我们在初学C语言时，老师和书上都会告诉我们这两种方法。

1和2可以视为是等价的。相对于3来说，使用return和exit会进行一些额外的操作而不是立即结束程序，当我们在main函数内return或调用exit后，会再调用我们使用atexit函数注册的终止处理程序，然后再调用标准I/O清理程序(对于所有打开的流调用fclose函数,使所有缓冲中的数据都被flush)，在进行这一系列清理关闭操作之后，再调用_exit或_Exit，此时程序进入内核态，即将“真正的终止”。

可以将exit函数看做是_exit或_Exit的包装函数，因为通过上文可以知道，exit函数在进行清理操作之后，最终还是会调用_exit或_Exit，_exit或_Exit立即进入内核态，不进行其他的操作。

《APUE》 - Chapter7 进程环境 — 图7.2-1 C程序的生命周期

7.3 存储空间布局

一个程序在硬盘上时，仅有.text段和.data段,当在运行该程序时，操作系统才会为其分配运行所必须的资源和结构(比如运行时堆和栈等)。.text段存放程序的机器指令,.data段存放已经初始化的数据。下面是一个运行中的程序a.out在内存中的布局(memory layout)。

7.4 共享库

共享库可以显著减少程序的大小，但会增加一些运行时开销，多个程序之间通过动态链接的方式共享副本。

假设有以下C代码：

#include <stdio.h>

int main(void) {
    printf("hello, world");
    return 0;
}

如果不使用共享库技术，那么我们编译的每个可执行文件里都将包含一份stdio的副本。而有了共享库技术，我们只需在内存中存放一份stdio的只读拷贝，让多个程序共享，这样就可以大大节省可执行文件的长度。

7.5 内存分配

内存这个东西有种很奇怪的属性“无论内存再大，总是会觉得不够用”。那么平时我们程序的内存都是怎样分配的呢？

我们来看看下面这段C程序：

void foo() {
    int num = 5;
}

void bar() {
    int *arr = malloc(sizeof(int) * 10);
    free(arr);
}

foo函数内部定义了一个变量num，它的值为5，那么num这个变量就是分配在用户栈上的(图7.3-1中的栈)，当foo函数的调用栈返回时，num会随其一起被销毁。(在底层^[1]表现为%rsp寄存器增加，栈顶向高地址收缩，原本foo函数和变量num所在的栈帧此时就没有意义了)

而bar函数中有一个名叫arr的变量，该变量是一个数组指针，在bar中我们调用了malloc函数，该函数会在堆(heap)上申请一块内存，并将指向该内存的指针赋值给arr。

bar中的free函数释放malloc函数申请的内存，如果忘记了free或者将数组指针arr指向了别的内存位置，就会造成内存泄露(Memory Leak),泄露的内存无法被回收，久而久之会占用大量的内存，导致频繁的缺页中断，甚至可能会导致系统宕机或程序崩溃。

7.6 非局部跳转

你可能会听说过这样一句话“不要在你的程序内使用goto”。的确，大量的goto会导致程序控制流复杂，难以维护，但其实现在我们所见到的goto是已经被封印了的goto。

C、Java、Go等现代编程语言中的goto都只能在函数内部跳转，但有些编程语言里goto可要强大的多

这种语言的每行代码都有行号，你只需goto 行号就可以在代码中随意跳跃；甚至于，它的子程序也不过是行号不同的一段代码而已，你完全可以goto进某个子程序的倒数第三行、然后检测到它没有设置某个标记所以不能return于是goto回你认为的、主程序中的调用点！

————知乎用户invalid s^[2]

C中的goto虽然只能在函数内跳转，但可以使用setjmp和longjmp函数来破除封印。需要注意的是，使用setjmp和longjmp函数时，要注意带来的问题，比如自动变量和寄存器变量的状态^[3]等。

笔者个人认为，如果条件允许，还是尽可能不要使用goto或此类函数。