CSAPP3e-学习笔记-第八章

判断题：异常分为四种类别：中断（interrupt）、陷阱（trap）、故障（fault）、终止（abort），四类异常都是同步异常。（错）

CSAPP3e 8.1.2 异常的类别

异常可以分为四类：中断 (interrupt) 、陷阱 (trap) 、故障 (fault) 和终止 (abort) 。下面的表对这些类别的属性做了小结。

判断题：进程是一个执行中程序的实例，每个进程都运行在某个进程的上下文（context）中。（对）

CSAPP3e 8.2 进程

定义：一个执行中程序的实例。

进程提供给应用程序两个关键抽象：

逻辑控制流
- PC（程序计数器）值的序列叫做逻辑控制流。
- 每个程序似乎独占地使用 CPU
- 通过 OS 内核的上下文切换机制提供
私有地址空间
- 每个程序似乎独占地使用内存系统
- OS 内核的虚拟内存机制提供

判断题：上下文（context）是由程序正确运行所需要的状态组成，包括：内存中的程序的代码和数据、栈、通用目的寄存器的内容、程序计数器、环境变量以及打开文件描述符的集合。（对）

CSAPP3e 8.2.5 上下文切换

进程由常驻内存的操作系统代码块（称为内核）管理，内核不是一个单独的进程，而是作为现有进程的一部分运行。
操作系统内核使用上下文切换实现多任务。上下文包含进程的状态：通用目的寄存器、浮点寄存器、程序计数器、用户栈、内核栈、各种内核数据结构。
调度、调度器、上下文切换过程：

判断题：父进程和新创建的子进程具有相同的 PID 和 PGID。（错）

判断题：fork 函数调用一次返回两次，一次返回到父进程，一次返回到新创建的子进程。（对）

CSAPP3e 8.4.2 创建和终止进程

从程序员的角度，我们可以认为进程总是处于下面三种状态之一

运行（Running）
进程要么在 CPU 上执行，要么在等待被执行且最终会被操作系统内核调度。
停止/暂停/挂起（Stopped/Paused/Hanged）
进程的执行被挂起且不会被调度，直到收到新的信号。
终止（Terminated）
进程永远地停止了，但仍占资源。

创建进程

父进程通过调用 fork 函数创建一个新的运行的子进程。

1	`int fork(void);`

被调用一次，却返回两次
- 子进程返回 0，父进程返回子进程的 PID
新创建的子进程几乎但不完全与父进程相同
- 子进程得到与父进程虚拟地址空间相同的（但是独立的）一份副本（代码、数据段、堆、共享库以及用户栈）
- 子进程获得与父进程任何打开文件描述符相同的副本
- stdout 文件在父、子进程是相同的
- 子进程有不同于父进程的 PID
并发执行
- 不能预测父进程与子进程的执行顺序

CSAPP3e 8.5.2 发送信号: 进程组

每个进程只属于一个进程组，进程组是由一个正整数进程组 ID 来标识的（PGID）。

多选题：每个信号类型都有一个预定义的默认行为，分别是（A B C D）
A. 进程终止
B. 进程终止并转储内存
C. 进程停止（挂起）直到被 SIGCONT 信号重启
D. 进程忽略该信号

CSAPP3e 8.5 Linux 信号

signal 就是一条小消息，它通知进程系统中发生了一个某种类型的事件。

类似于异常和中断
从内核发送到（有时是在另一个进程的请求下）一个进程
信号类型是用小整数 ID 来标识的(1-30)
信号中唯一的信息是它的 ID 和它的到达

CSAPP3e 8.5.3 接收信号

每个信号类型都有一个预定义默认行为，是下面中的一种：

进程终止
进程终止并转储内存
进程停止（挂起）直到被 SIGCONT 信号重启
进程忽略该信号

进程可以通过 signal 函数修改和信号相关联的默认行为，其中 SIGSTOP 和 SIGKILL 的默认行为不能修改。

多选题：进程调用 int kill(pid_t pid, int sig) 函数发送信号给其他进程，以下说法正确的是（A B C）
A. $pid>0$：kill 函数发送信号号码 sig 给进程 pid。
B. $pid=0$：kill 函数发送信号 sig 给调用进程所在进程组中的每个进程。
C. $pid<0$：kill 函数发送信号 sig 给进程组 $| pid |$（pid 的绝对值）中的每个进程。
D. 以上说法都不正确

CSAPP3e 8.5.2 发送信号: 进程组

进程可以通过调用 kill 函数发送信号给其他进程（包括自己）。

1	`int kill(pid_t pid, int sig) // 若成功则返回 0，若错误则返回 -1。`

pid 取值有三种情况：

pid	结果
$pid>0$	`kill` 函数发送信号号码 sig 给进程 pid。
$pid=0$	`kill` 函数发送信号 sig 给调用进程所在进程组中的每个进程。
$pid<0$	`kill` 函数发送信号 sig 给进程组$

多选题：发送信号的原因：（A B）
A. 内核检测到一个系统事件，比如除零错误或子进程终止。
B. 一个进程调用了 kill 函数，显式地要求内核发送一个信号给目的进程。
C. 进程创建子进程。

CSAPP3e 8.5.1 信号术语：发送信号

内核通过更新目的进程上下文中的某个状态，发送（递送）一个信号给目的进程。

发送信号可以是如下原因之一：

内核检测到一个系统事件如除零错误(SIGFPE)或者子进程终止(SIGCHLD)。
一个进程调用了 kill 系统调用，显式地请求内核发送一个信号到目的进程。
- 一个进程可以发送信号给它自己。

多选题：signal 函数接受两个参数：信号值和函数指针，可以通过下列哪些方法（A B C）来改变和信号 signum 相关联的行为。
A. 如果 handler 是 SIG_IGN，那么忽略类型为 signum 的信号。
B. 如果 handler 是 SIG_DFL，那么类型为 signum 的信号行为恢复为默认行为。
C. 如果 hanlder 是用户定义的函数的地址，这个函数就被称为信号处理程序。

CSAPP3e 8.5.3 接收信号

可以使用 signal 函数修改和信号 signum 相关联的默认行为：

#include <signal.h>
Typedef void (*sighandler_t)(int);

sighandler_t signal(int signum, sighandler_t handler);
//返回：若成功则为指向前次处理程序的指针，若出错则为SIG_ERR（不设置errno）。

handler 的不同取值：

SIG_IGN: 忽略类型为 signum 的信号
SIG_DFL: 类型为 signum 的信号行为恢复为默认行为
否则，handler 就是用户定义的函数的地址，这个函数称为信号处理程序
- 只要进程接收到类型为 signum 的信号就会调用信号处理程序
- 将处理程序的地址传递到 signal 函数从而改变默认行为，这叫作设置信号处理程序
- 调用信号处理程序称为捕获信号
- 执行信号处理程序称为处理信号
- 当处理程序执行 return 时，控制会传递到控制流中被信号接收所中断的指令处

单选题：以下对Linux 系统提供的监控和操作进程的工具说法错误的是（C）：
A. $TOP$：打印关于当前进程资源使用的信息。
B. $STRACE$：打印一个正在运行的程序和它的子进程调用的每个系统调用的轨迹。
C. $PS$：列出当前系统中的进程，不包括僵死进程。
D. $/proc$：一个虚拟文件系统，以 ASCII 文本格式输出大量内核数据结构的内容，用户程序可以读取这些内容。

CSAPP3e 8.4.3 回收子进程

为什么回收？–与fork创建相反！

当进程终止时，它仍然消耗系统资源
- Examples: Exit status, various OS tables（占用内存）
称为僵死进程（ “僵尸 zombie”进程）
僵死进程占用内存资源、打开的 IO 资源

回收 (Reaping)

父进程执行回收(using wait or waitpid)
内核删掉僵死子进程、从系统中删除掉它的所有痕迹

父进程不回收子进程的后果：

如果父进程没有回收它的僵死子进程就终止了，内核安排 init-养父 进程去回收它们（init 进程 PID 为 1，系统启动时创建，不会终止，是所有进程的祖先）
长时间运行的进程应当主动回收它们的僵死子进程

ps 命令：列出当前系统中的进程

/* ps 命令示例 */

linux> ps
PID   TTY    TIME   CMD
6585 ttyp9 00:00:00 tcsh
6639 ttyp9 00:00:03 forks
6640 ttyp9 00:00:00 forks <defunct>
6641 ttyp9 00:00:00 ps

ps 命令显示的子进程标记为 “defunct”，即僵死进程。

CSAPP3e 练习题8.4 P520

考虑下面的程序：

int main() { 
    int status;
    pid_t pid;
    printf("Hello\n");
    pid = Fork();
    printf("%d\n", !pid);
    if (pid != 0) {
        if (waitpid(-1, &status, 0) > 0) {
            if (WIFEXITED(status) != 0)
                printf("%d\n", WEXITSTATUS(status));
        }
    }
    printf("Bye\n");
    exit(2);
}

A. 这个程序会产生多少输出行？
B. 这些输出行的一种可能的顺序是什么？

A. 打印输出 6 行
B. 可能的输出：Hello, 1, 0, Bye, 2, Bye

CSAPP3e 8.4.3 回收子进程 >> 与子进程同步：wait/waitpid

wait 函数

父进程通过 wait/waitpid 函数回收子进程：

调用 wait(&status) 等价于调用 waitpid(-1, &status, 0) 。

#include <sys/types.h> 
#include <sys/wait.h>

pid_t wait(int *statusp);
// 返回：如果成功，则为子进程的 PID, 如果出错，则为 -1。

挂起当前进程的执行直到它的一个子进程终止。
返回已终止子进程（可能很多，是个集合）的 pid。
如 child_status != NULL，则在该指针指向的整型量中写入关于终止原因和退出状态的信息。
- 用 wait.h 头文件中定义的宏来检查（具体作用查看）：
  - WEXITSTATUS 是一个检验子进程退出的正常还是非正常和返回值的宏。
    
    WIFEXITED(status) 这个宏用来指出子进程是否为正常退出的，如果是，它会返回一个非零值。
    
    WEXITSTATUS(status) 当 WIFEXITED 返回非零值时，可以用这个宏来提取子进程的返回值，如果子进程调用 exit(5) 退出，WEXITSTATUS(status) 就会返回 5；如果子进程调用 exit(7)，WEXITSTATUS(status) 就会返回 7。
    
    请注意，如果进程不是正常退出的，也就是说，WIFEXITED 返回 0，这个值就毫无意义。
子进程完成结束的顺序是任意的（没有固定的顺序）。
可用宏函数 WIFEXITED 和 WEXITSTATUS 获取进程的退出状态信息。

waitpid 函数

#include <sys/types.h> 
#include <sys/wait.h>

pid_t waitpid(pid_t pid, int *statusp, int options);
// 返回：如果成功，则为子进程的 PID, 如果 WNOHANG, 则为 0, 如果其他错误，则为 —1。

默认情况下（当 options = 0 时）， waitpid 挂起调用进程的执行，直到它的等待集合(wait set) 中的一个子进程终止。
如果等待集合中的一个进程在刚调用的时刻就已经终止了，那么 waitpid 就立即返回。

在上面这两种情况中，waitpid 返回导致 waitpid 返回的已终止子进程的 PID。此时，已终止的子进程已经被回收，内核会从系统中删除掉它的所有痕迹。

参数说明：

判定等待集合的成员

pid 成员

$pid=-1$ 等待集合是由父进程所有的子进程组成的。

$pid>0$ 等待集合是一个单独的子进程，它的进程 ID 等于 pid。

pid	成员
$pid=-1$	等待集合是由父进程所有的子进程组成的。
$pid>0$	等待集合是一个单独的子进程，它的进程 ID 等于 pid。

修改默认行为

通过设置 Options 来修改默认行为（默认Options = 0，等待子进程终止）：

options	行为
`WNOHANG`	如果等待集合的任何子进程没有终止，就立即返回 0。父进程可继续其他工作。
`WUNTRACED`	挂起当前进程，直到等待集合中的任一进程终止或停止，则返回其 pid。用于检查。
`WCONTINUED`	挂起当前进程，直到等待集合中的任一进程从运行到终止或一个停止的进程收到 `SIGCONT` 而恢复运行。
`WNOHANG	WUNTRACED`组合

深入理解计算机系统

#进程 #异常

CSAPP3e-学习笔记-第八章

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作者

LuoYu-Ying

发布于

2023年2月20日

许可协议

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