csapp 第八章 異?？刂屏?讀書筆記
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第八章 異常控制流
異?？刂屏?/h2>
處理器加電后和斷電前，程序計(jì)數(shù)器會(huì)假設(shè)一個(gè)值的序列：其中，每個(gè) 是某個(gè)相應(yīng)的指令 的地址，每次從 到 的過渡稱為控制轉(zhuǎn)移（control transfer）。這樣的控制轉(zhuǎn)移序列叫做處理器的控制流（flow of control or control flow） control flow的突變( 和 )的不連續(xù)，通常由類似跳轉(zhuǎn)、調(diào)用、和返回等程序指令造成。突變是現(xiàn)代系統(tǒng)應(yīng)對系統(tǒng)狀態(tài)變化的機(jī)制，這些突變稱為異?？刂屏鳎‥xceptional Control Flow， ECF）。
理解ECF的目的
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理解重要的系統(tǒng)概念：ECF是實(shí)現(xiàn)I/O、進(jìn)程和虛擬內(nèi)存的基本機(jī)制 -
幫助理解應(yīng)用程序和操作系統(tǒng)的交互 -
幫助實(shí)現(xiàn)新應(yīng)用 -
幫助理解并發(fā) -
幫助理解軟件異常的工作模式
8.1 異常
異常（exception）是控制流中的突變，一部分由硬件實(shí)現(xiàn)，一部分由操作系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。當(dāng)處理器檢測有事件發(fā)生時(shí)，會(huì)通過一個(gè)叫做異常表（exception table）的跳轉(zhuǎn)表，進(jìn)行一個(gè)間接過程調(diào)用（異常），到一個(gè)專門設(shè)計(jì)用來處理這列事件的操作系統(tǒng)子程序（異常處理程序（exception handler））。當(dāng)異常處理程序完成處理后，根據(jù)引起異常的時(shí)間的類型，會(huì)發(fā)生以下三種情況：
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處理程序?qū)⒖刂品祷亟o當(dāng)前指令 ，即當(dāng)事件發(fā)生時(shí)正在執(zhí)行的指令； -
處理程序?qū)⒖刂品颠€給 ,如果沒有發(fā)生異常將會(huì)執(zhí)行的下一條指令； -
處理程序終止被中斷的程序 
8.1.1 異常處理
系統(tǒng)中可能的每種類型的異常都分配了一個(gè)唯一的非負(fù)整數(shù)的異常號(hào)（exception number）。其中一些號(hào)碼是由處理器的設(shè)計(jì)者分配的，其他號(hào)碼是由操作系統(tǒng)內(nèi)核（操作系統(tǒng)常駐內(nèi)存部分)的設(shè)計(jì)者分配的，前者的示例包括被零除、缺頁、內(nèi)存訪問違例、斷點(diǎn)以及算術(shù)運(yùn)算溢出，后者包括系統(tǒng)調(diào)用和來自外部I/O設(shè)備的信號(hào)。系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)，操作系統(tǒng)分配和初始化一張稱為異常表的跳轉(zhuǎn)表，使得表目k包含異常k的處理程序的地址，如下圖：
在運(yùn)行時(shí)，處理器檢測到發(fā)生了一個(gè)事件，并且確定了相應(yīng)的異常號(hào)k。隨后處理器觸發(fā)異常，方法是執(zhí)行間接過程調(diào)用，通過異常表的表目k，轉(zhuǎn)到相應(yīng)的處理程序，如下圖。異常表的起始地址放在一個(gè)叫做異常表基址寄存器（exception table base register）的特殊CPU寄存器里。
異常類似于過程調(diào)用，但是有一些區(qū)別：
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過程調(diào)用時(shí)，在跳轉(zhuǎn)到處理程序之前，處理器將返回地址壓入棧中，然而，根據(jù)異常的類型，返回地址要么是當(dāng)前指令（當(dāng)事件發(fā)生時(shí)正在執(zhí)行的指令），要么是下一條指令（如果事件不發(fā)生，將會(huì)在當(dāng)前指令后執(zhí)行的指令） -
處理器也會(huì)把一些額外的處理器狀態(tài)壓倒棧里，在處理程序返回時(shí)，重新開始執(zhí)行被中斷的程序會(huì)需要這些狀態(tài)。 -
如果控制從用戶程序轉(zhuǎn)移到內(nèi)核，所有這些項(xiàng)目都被壓到內(nèi)核棧中，而不是壓倒用戶棧中 -
異常處理程序運(yùn)行在內(nèi)核模式下，這意味著它們對所有的系統(tǒng)資源都有完全的訪問權(quán)限
8.1.2 異常的類型
1.中斷
中斷是異步發(fā)生的，是來自處理器外部的I/O設(shè)備的信號(hào)的結(jié)果。硬件中斷不是由任何一條專門的指令造成的，從這個(gè)意義上來說它是異步的。圖8-5概述了一個(gè)中斷的處理流程。在當(dāng)前指令完成執(zhí)行之后，處理器注意到中斷引腳的電壓變高了，就從系統(tǒng)總線讀取異常號(hào)，然后調(diào)用適當(dāng)?shù)闹袛嗵幚沓绦颍?dāng)處理程序返回時(shí)，它就將控制返回給下一條指令（即 如果沒有發(fā)生中斷，在控制流中會(huì)在當(dāng)前指令之后的那條指令），結(jié)果是程序繼續(xù)執(zhí)行，就好像沒有發(fā)生過中斷一樣。
2.陷阱和系統(tǒng)調(diào)用
陷阱是有意的異常，是執(zhí)行一條指令的結(jié)果。就像中斷處理程序一樣，陷阱處理程序?qū)⒖刂品祷氐较乱粭l指令。陷阱最重要的用途是在用戶程序在內(nèi)核之間提供一個(gè)像過程一樣的接口，叫做系統(tǒng)調(diào)用。用戶程序經(jīng)常需要向內(nèi)核請求服務(wù)，比如讀一個(gè)文件（read）、創(chuàng)建一個(gè)新的進(jìn)程（fork)、加載一個(gè)新的程序（execve），或者終止當(dāng)前進(jìn)程（exit）。為了允許對這些內(nèi)核服務(wù)的受控的訪問，處理器提供了一條特殊的“syscall n”指令，當(dāng)用戶程序想要請求服務(wù)n時(shí)，可移植性這條指令。執(zhí)行syscall指令會(huì)導(dǎo)致一個(gè)到異常處理程序的陷阱，這個(gè)處理程序解析參數(shù)，并調(diào)用適當(dāng)?shù)膬?nèi)核程序，如圖8-6所示。普通函數(shù)調(diào)用是在用戶模式下，系統(tǒng)調(diào)用是在內(nèi)核模式下。
3.故障
故障是由錯(cuò)誤情況引起的，它可能能被故障處理程序修正。當(dāng)故障發(fā)生時(shí)，處理器將控制轉(zhuǎn)移給故障處理程序。如果處理程序能夠修正這個(gè)錯(cuò)誤情況，它就將控制返回給引起故障的指令，從而重新執(zhí)行它。否則，處理程序返回到內(nèi)核中的abort例程，abort例程會(huì)終止引起故障的應(yīng)用程序，如圖8-7.
eg：缺頁異常，當(dāng)指令引用一個(gè)虛擬地址，而與該地址相對應(yīng)的物理頁面不在內(nèi)存中，因此必須從磁盤中取出時(shí)，就會(huì)發(fā)生故障。詳見第九章補(bǔ)上缺頁處理程序從磁盤加載適當(dāng)?shù)捻撁妫缓髮⒖刂品祷亟o引起故障的指令，當(dāng)指令再次執(zhí)行時(shí)，相應(yīng)的物理頁面已經(jīng)駐留在內(nèi)存中了，指令就可以沒有故障地運(yùn)行完成了。
4.終止
終止是不可恢復(fù)的致命錯(cuò)誤造成的結(jié)果，通常是一些硬件錯(cuò)誤，終止程序?qū)⒖刂品颠€給一個(gè)abort例程，該例程會(huì)終止這個(gè)應(yīng)用程序。
8.2 進(jìn)程
異常是允許操作系統(tǒng)內(nèi)核提供進(jìn)程（process）概念的基本構(gòu)造塊。進(jìn)程的經(jīng)典定義：一個(gè)執(zhí)行中的程序的實(shí)例。系統(tǒng)中的每個(gè)程序都運(yùn)行在某個(gè)進(jìn)程的上下文（context）中，上下文是由程序正確運(yùn)行所需的狀態(tài)組成，狀態(tài)包括：存放在內(nèi)存中的程序的代碼和數(shù)據(jù)，它的棧、通用目的寄存器的內(nèi)容，程序計(jì)數(shù)器、環(huán)境變量以及打開文件描述符的集合。每次用戶通過向shell輸入一個(gè)可執(zhí)行目標(biāo)文件的名字，運(yùn)行程序時(shí)，shell就會(huì)創(chuàng)建一個(gè)新的進(jìn)程，然后在這個(gè)新進(jìn)程的上下文中運(yùn)行這個(gè)可執(zhí)行目標(biāo)文件。應(yīng)用程序也能夠創(chuàng)建新進(jìn)程，并且在這個(gè)新進(jìn)程的上下文中運(yùn)行它們自己的代碼或者其它應(yīng)用程序。
8.2.1 邏輯控制流
單步執(zhí)行程序，看到的一系列程序計(jì)數(shù)器(PC)的值（這些值唯一地對應(yīng)于包含在程序的可執(zhí)行目標(biāo)文件中的指令，或者包含在運(yùn)行時(shí)動(dòng)態(tài)鏈接到程序的共享對象中的指令），這個(gè)PC值的序列叫做邏輯控制流，或者簡稱控制流。如下圖，進(jìn)程是輪流使用處理器的，每個(gè)進(jìn)程執(zhí)行它的流的一部分，然后被搶占（preempted）（暫時(shí)掛起），然后輪到其它進(jìn)程。
8.2.2 并發(fā)流
一個(gè)邏輯流的執(zhí)行在時(shí)間上與另一個(gè)流重疊，稱為并發(fā)流(concurrent flow)，這兩個(gè)流被稱為并發(fā)地運(yùn)行。更準(zhǔn)確地說，流X和流Y互相并發(fā)，當(dāng)且僅當(dāng)X在Y開始之后和Y結(jié)束之前開始開始，或者Y在X開始之后和X結(jié)束之前開始。8-12中，A和B是并發(fā)，A和C是并發(fā)，B和C不是并發(fā)。多個(gè)流兵法的執(zhí)行的一般現(xiàn)象被稱為并發(fā)（concurrency）。一個(gè)進(jìn)程和其他進(jìn)程輪流運(yùn)行的概念稱為多任務(wù)（multitasking）。一個(gè)進(jìn)程執(zhí)行它的控制流的一部分的每一時(shí)間段叫做時(shí)間片（time slice）。如果兩個(gè)流并發(fā)地運(yùn)行在不同的處理器核或者計(jì)算機(jī)上，稱為并行流（parallel flow)
8.2.3 私有地址空間
進(jìn)程為每個(gè)程序提供它自己的私有地址空間，一般來說和這個(gè)空間中某個(gè)地址相關(guān)聯(lián)的那個(gè)內(nèi)存字節(jié)是不能被其它進(jìn)程讀或者寫的，從這個(gè)意義上說，這個(gè)地質(zhì)空間是私有的。盡管和每個(gè)私有地址空間相關(guān)聯(lián)的內(nèi)存的內(nèi)容一般是不同的，但是每個(gè)這樣的空間都有相同的通用結(jié)構(gòu)，如8-13。
8.2.4 用戶模式和內(nèi)核模式
為了使操作系統(tǒng)內(nèi)核提供一個(gè)無懈可擊的進(jìn)程抽象，處理器必須提供一種機(jī)制，限制一個(gè)應(yīng)用可以執(zhí)行的指令以及它可以訪問的地址空間范圍。處理器通常是用某個(gè)控制寄存器中的一個(gè)模式位（mode bit）來提供這種功能，該寄存器描述了進(jìn)程當(dāng)前享有的特權(quán)。當(dāng)設(shè)置了模式位，進(jìn)程就運(yùn)行在內(nèi)核模式中（有時(shí)也叫作超級用戶模式）。沒有設(shè)置模式位時(shí)，進(jìn)程就運(yùn)行在用戶模式中。用戶模式中的進(jìn)程不允許執(zhí)行特權(quán)指令（privileged instruction），比如停止處理器，改變模式位，或者發(fā)起一個(gè)I/O操作。也不允許用戶模式中的進(jìn)程直接引用地址空間中內(nèi)核區(qū)內(nèi)的代碼和數(shù)據(jù)。運(yùn)行應(yīng)用程序代碼的進(jìn)程初始時(shí)是在用戶模式中。進(jìn)程從用戶模式變?yōu)閮?nèi)核模式的唯一方法是通過注入中斷、故障或者陷入系統(tǒng)調(diào)用這樣的異常。Linux提供了一種叫做/proc文件系統(tǒng)的機(jī)制，允許用戶模式進(jìn)程訪問內(nèi)核數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的內(nèi)容。/proc文件系統(tǒng)將許多內(nèi)核數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的內(nèi)容輸出為一個(gè)用戶程序可以讀的文本文件的層次結(jié)構(gòu)。比如，可以使用文件系統(tǒng)找出一般的系統(tǒng)屬性，比如CPU類型（、proc/cpuinfo）?；蛘吣硞€(gè)特殊的進(jìn)程使用的內(nèi)存段。chatgpt對/proc的介紹如下：
`/proc` 是一個(gè)虛擬文件系統(tǒng)，也被稱為進(jìn)程文件系統(tǒng)，它存在于內(nèi)存中而不是硬盤上。在 Linux 系統(tǒng)中，`/proc` 目錄包含了大量關(guān)于系統(tǒng)和正在運(yùn)行的進(jìn)程的實(shí)時(shí)信息。它是一個(gè)接口，通過這個(gè)接口，內(nèi)核可以向用戶空間程序提供信息。
以下是 `/proc` 中的一些常見文件和目錄：
- `/proc/cpuinfo`：包含了處理器的相關(guān)信息，如型號(hào)、MHz、緩存大小等。
- `/proc/meminfo`：提供了關(guān)于系統(tǒng)內(nèi)存使用情況的信息，包括物理內(nèi)存、交換空間等。
- `/proc/version`：顯示了系統(tǒng)的版本信息。
- `/proc/pid`：每一個(gè)正在運(yùn)行的進(jìn)程都會(huì)在 `/proc` 下有一個(gè)以其進(jìn)程 ID 命名的目錄。這個(gè)目錄中包含了該進(jìn)程的相關(guān)信息。
- `/proc/filesystems`：列出了系統(tǒng)支持的文件系統(tǒng)類型。
- `/proc/mounts`：顯示了當(dāng)前系統(tǒng)掛載的所有文件系統(tǒng)。
- `/proc/net`：包含了網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的統(tǒng)計(jì)信息。
通過閱讀和分析 `/proc` 中的文件，我們可以了解到系統(tǒng)和進(jìn)程的許多信息。這對于系統(tǒng)監(jiān)控、調(diào)試和性能調(diào)優(yōu)等任務(wù)非常有用。
8.2.5 上下文切換
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內(nèi)核使用上下文切換（context switch）的較高形式的異?？刂屏鱽韺?shí)現(xiàn)多任務(wù)。上下文切換機(jī)制建立在8.1的低層異常機(jī)制上。 -
內(nèi)核為每個(gè)進(jìn)程維持一個(gè)上下文（context）。上下文就是內(nèi)核重新啟動(dòng)一個(gè)被搶占的進(jìn)程所需的狀態(tài)。它由一些對象的值組成，這些對象包括通用目的寄存器、浮點(diǎn)寄存器、程序計(jì)數(shù)器、用戶棧、狀態(tài)寄存器、內(nèi)核棧和各種內(nèi)核數(shù)據(jù)集，比如描述地址空間的頁表，包含有關(guān)當(dāng)前進(jìn)程信息的進(jìn)程表，以及包含進(jìn)程已打開文件的信息的文件表。 -
在進(jìn)程執(zhí)行的某些時(shí)刻，內(nèi)核可以決定搶占當(dāng)前進(jìn)程，并重新開始一個(gè)先前被搶占了的進(jìn)程。這種決策就叫調(diào)度（scheduling），是由內(nèi)核中被稱為調(diào)度器（scheduler）的代碼處理的。當(dāng)內(nèi)核選擇一個(gè)新的進(jìn)程運(yùn)行時(shí)，即內(nèi)核調(diào)度了這個(gè)進(jìn)程。在內(nèi)核調(diào)度了一個(gè)新的進(jìn)程運(yùn)行后，它就搶占當(dāng)前進(jìn)程，并使用一種稱為上下文切換的機(jī)制來將控制轉(zhuǎn)移到新的進(jìn)程 -
上下文切換： -
1）保存當(dāng)前進(jìn)程的上下文 -
2）恢復(fù)某個(gè)先前被搶占的進(jìn)程被保存的上下文 -
3）將控制傳遞給這個(gè)新恢復(fù)的進(jìn)程 -
當(dāng)內(nèi)核代表用戶執(zhí)行系統(tǒng)調(diào)度時(shí)，如果系統(tǒng)調(diào)度因?yàn)榈却硞€(gè)事件而發(fā)生阻塞（eg:磁盤讀取數(shù)據(jù)），那么內(nèi)核可以讓當(dāng)前進(jìn)程休眠，切換到另一個(gè)進(jìn)程。 -
中斷也可能發(fā)生上下文切換 -
進(jìn)程切換示例：8-14 
8.3 系統(tǒng)調(diào)用錯(cuò)誤處理
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當(dāng)Unix系統(tǒng)級函數(shù)遇到錯(cuò)誤時(shí)，它們通常會(huì)返回-1，并設(shè)置全局整數(shù)變量errno來表示什么出錯(cuò)了。如下：
8.4 進(jìn)程控制
8.4.1 獲取進(jìn)程ID
每個(gè)進(jìn)程都有一個(gè)唯一的正數(shù)（非零）進(jìn)程ID(PID)。getpid函數(shù)返回調(diào)用進(jìn)程的PID，getppid函數(shù)返回它的父進(jìn)程的PID（創(chuàng)建調(diào)用進(jìn)程的進(jìn)程）
8.4.2 創(chuàng)建和終止進(jìn)程
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程序員眼中進(jìn)程的三種狀態(tài) -
運(yùn)行：進(jìn)程要么在CPU上執(zhí)行，要么在等待被執(zhí)行且最終會(huì)被內(nèi)核調(diào)度 -
停止：進(jìn)程的執(zhí)行被掛起（suspended），且不會(huì)被調(diào)度。當(dāng)收到SIGSTOP、SIGTSTP、SIGTTIN或者SIGTTOUT信號(hào)時(shí)，進(jìn)程就停止,，并且保持停止直到它收到一個(gè)SIGCONT信號(hào)，在這個(gè)時(shí)刻，進(jìn)程再次開始運(yùn)行。（信號(hào)是一種軟件終端的形式） -
終止：進(jìn)程永遠(yuǎn)地停止了。進(jìn)程會(huì)因?yàn)槿N原因終止：1）收到一個(gè)信號(hào)，該信號(hào)的默認(rèn)行為是終止進(jìn)程；2）從主程序返回；3）調(diào)用exit函數(shù) 這些都是 Unix 或者類 Unix 系統(tǒng)（如 Linux）中的信號(hào)（Signals）。信號(hào)是一種在 Unix 系統(tǒng)中進(jìn)程間通信的方式，也用于通知進(jìn)程某些系統(tǒng)事件。當(dāng)一個(gè)信號(hào)發(fā)送給一個(gè)進(jìn)程時(shí)，操作系統(tǒng)會(huì)中斷進(jìn)程的正常控制流程，然后傳遞這個(gè)信號(hào)，進(jìn)程在接收到信號(hào)后會(huì)做出相應(yīng)的響應(yīng)。exit 函數(shù)以status退出狀態(tài)來終止進(jìn)程（另一種設(shè)置退出狀態(tài)的方法是從主程序中返回一個(gè)整數(shù)值)。
SIGSTOP、SIGTSTP、SIGTTIN、SIGTTOU都是什么:
以下是這些信號(hào)的解釋：
- SIGSTOP：這個(gè)信號(hào)會(huì)讓接收它的進(jìn)程停止運(yùn)行。這是一個(gè)不能被阻塞、處理或者忽略的信號(hào)。
- SIGTSTP：這個(gè)信號(hào)通常由用戶在終端中按下 Ctrl+Z 發(fā)送，導(dǎo)致進(jìn)程停止運(yùn)行，但是與 SIGSTOP 不同的是，這個(gè)信號(hào)是可以被捕獲和忽略的。
- SIGTTIN：當(dāng)一個(gè)后臺(tái)進(jìn)程試圖讀取終端輸入時(shí)，這個(gè)信號(hào)會(huì)被發(fā)送到該進(jìn)程。默認(rèn)情況下，這會(huì)導(dǎo)致進(jìn)程停止運(yùn)行。
- SIGTTOU：當(dāng)一個(gè)后臺(tái)進(jìn)程試圖寫入它的控制終端或者改變終端的模式時(shí)，這個(gè)信號(hào)會(huì)被發(fā)送到該進(jìn)程。默認(rèn)情況下，這會(huì)導(dǎo)致進(jìn)程停止運(yùn)行。
這些信號(hào)通常用于實(shí)現(xiàn) Unix 系統(tǒng)的工作控制，例如將一個(gè)正在運(yùn)行的進(jìn)程暫停并放到后臺(tái)，或者將一個(gè)在后臺(tái)暫停的進(jìn)程恢復(fù)運(yùn)行并放到前臺(tái)。
創(chuàng)建
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新創(chuàng)建的子進(jìn)程幾乎但不完全與父進(jìn)程相同。子進(jìn)程得到與父進(jìn)程用戶級虛擬內(nèi)存地址空間相同的（但是獨(dú)立的）一份副本，包括代碼和數(shù)據(jù)段、堆、共享庫以及用戶棧。子進(jìn)程還獲得與附近成人和打開文件描述符相同的副本，這就意味著當(dāng)父進(jìn)程調(diào)用fork時(shí)，子進(jìn)程還可以讀寫父進(jìn)程中打開的任何文件。父進(jìn)程和心創(chuàng)建的子進(jìn)程之間最大的區(qū)別在于它們有不同的PID。 -
fork函數(shù)：調(diào)用一次，返回兩次：一次在調(diào)用進(jìn)程中，一次在新創(chuàng)建的子進(jìn)程中。在父進(jìn)程中，fork函數(shù)返回子進(jìn)程的PID，在子進(jìn)程中，fork返回0.因?yàn)樽辖堑腜ID總是非零，返回值就提供一個(gè)明確的方法來判斷程序是在父進(jìn)程還是在子進(jìn)程中執(zhí)行。 -
父進(jìn)程調(diào)用子進(jìn)程示例：8-15 -
調(diào)用一次，返回兩次: fork函數(shù)被父進(jìn)程調(diào)用一次，但是返回兩次：1）返回到父進(jìn)程，2）返回到新創(chuàng)建的子進(jìn)程。 -
并發(fā)執(zhí)行：父進(jìn)程和子進(jìn)程是并發(fā)運(yùn)行的獨(dú)立進(jìn)程。內(nèi)核能夠以任意方式交替執(zhí)行它們的邏輯控制流中的指令。 -
相同但是獨(dú)立的地址空間：如果能夠在fork函數(shù)在父進(jìn)程和子進(jìn)程中返回后立即暫停這兩個(gè)進(jìn)程，我們會(huì)看到兩個(gè)進(jìn)程的地址空間是相同的。每個(gè)進(jìn)程由相同的用戶棧、相同的本地變量值、相同的堆、相同的全局變量值，以及相同的代碼。 -
共享文件：子進(jìn)程繼承了父進(jìn)程所有的打開文件 
8.4.3 回收子進(jìn)程
當(dāng)一個(gè)進(jìn)程由于某種原因終止時(shí)，內(nèi)核并不是立即把它從系統(tǒng)中清除。相反，進(jìn)程被保持在一種已終止的狀態(tài)中，直到被它的父進(jìn)程回收（reaped）。當(dāng)父進(jìn)程回收已終止的子進(jìn)程時(shí)，內(nèi)核將紫禁城的退出狀態(tài)傳遞給父進(jìn)程，然后拋棄已終止的進(jìn)程，從此時(shí)開始，該進(jìn)程就不存在了。一個(gè)終止了但還未被回收的進(jìn)程稱為僵死進(jìn)程（zombie) 如果一個(gè)父進(jìn)程終止了，內(nèi)核會(huì)安排init進(jìn)程成為它的孤兒進(jìn)程的養(yǎng)父。init進(jìn)程的PID=1，是在系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)由內(nèi)核創(chuàng)建的，它不會(huì)終止，是所有進(jìn)程的祖先。一個(gè)進(jìn)程可以通過調(diào)用waitpid函數(shù)來等待它的子進(jìn)程終止或者停止。默認(rèn)情況下（option=0），waitpid掛起調(diào)用進(jìn)程的執(zhí)行，直到它的等待集合（wait set）中的一個(gè)子進(jìn)程終止。如果等待集合中的一個(gè)進(jìn)程在剛調(diào)用的時(shí)刻就已經(jīng)終止了，那么waitpid就立即返回。在這兩種情況中，waitpid返回導(dǎo)致waitpid返回的已終止子進(jìn)程的PID，此時(shí)，已終止的子進(jìn)程已經(jīng)被回收，內(nèi)核會(huì)從系統(tǒng)中刪除掉它的所有痕跡。參數(shù)說明：
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1.判定等待集合的成員: 等待集合的成員是由參數(shù)pid來確定的 -
如果pid > 0,那么等待集合就是一個(gè)單獨(dú)的子進(jìn)程，它的進(jìn)程ID等于pid -
如果pid = -1,那么等待集合就是由父進(jìn)程的所有子進(jìn)程組成 -
2.修改默認(rèn)行為: 可以通過將options設(shè)置為常量WNOHANG、WUNTRACED、WCONTINUED的各種組合來修改默認(rèn)行為: -
WNOHANG：如果等待集合中的任何子進(jìn)程都還沒有終止，那么就立即返回（返回的值為0）。默認(rèn)的行為是掛起調(diào)用進(jìn)程，直到有子進(jìn)程終止。在等待子進(jìn)程終止的同時(shí)，如果還想做些有用的工作，這個(gè)選項(xiàng)會(huì)有用。 -
WUNTRACED：掛起調(diào)用進(jìn)程的執(zhí)行，直到等待集合中的一個(gè)進(jìn)程變成已終止或者被停止。返回的PID為導(dǎo)致返回的已終止或者被停止子進(jìn)程的PID，默認(rèn)的行為是只返回已終止的子進(jìn)程。當(dāng)你想要檢查已終止和被停止的子進(jìn)程時(shí)，這個(gè)會(huì)比較管用。 -
WCONTINUED：掛起調(diào)用進(jìn)程的執(zhí)行，直到等待集合中一個(gè)正在運(yùn)行的進(jìn)程終止或等待集合中一個(gè)被停止的進(jìn)程收到SIGCONT信號(hào)重新開始執(zhí)行。 -
WNOHANG | WUNTRACED：立即返回，如果等待集合中的子進(jìn)程都沒有被停止或終止，則返回值為0；如果有一個(gè)停止或終止，則返回值為該子進(jìn)程的PID。 -
3.檢查已回收子進(jìn)程的退出狀態(tài)：如果statusp參數(shù)是非空的，那么waitpid就會(huì)在status中放上關(guān)于導(dǎo)致返回的子進(jìn)程的狀態(tài)信息，status是statusp指向的值。wait.h頭文件中定義了解釋status參數(shù)的幾個(gè)宏： -
WIFEXITED(status)：如果子進(jìn)程通過調(diào)用exit或者一個(gè)返回（return）正常終止，就返回真 -
WEXITSTATUS(status)：返回一個(gè)正常終止的紫禁城的退出狀態(tài)，只有在WIFEXITED(status)返回為真時(shí)，才會(huì)定義這個(gè)狀態(tài) -
WIFSIGNALED(status)：如果子進(jìn)程是因?yàn)橐粋€(gè)未被捕獲的信號(hào)終止的，那么就返回真 -
WTERMSIG(status)：返回導(dǎo)致子進(jìn)程終止的信號(hào)的編號(hào)，只有在WIFSIGNALED（）返回為真時(shí)，才定義這個(gè)變量 -
WIFSTOPPED(status)：如果引起返回的子進(jìn)程當(dāng)前是停止的，那么就返回真。 -
WSTOPSIG(status)：返回引起子進(jìn)程停止的信號(hào)的編號(hào)，只有在WIFSTOPPED（）返回為真時(shí)，才定義這個(gè)狀態(tài)。 -
WIFCONTINUED(status)：如果子進(jìn)程收到SIGCONT信號(hào)重新啟動(dòng)，則返回真 -
4.錯(cuò)誤條件 如果調(diào)用進(jìn)程沒有子進(jìn)程，那么waitpid就返回-1，并且設(shè)置errno為ECHILD。如果waitpid函數(shù)被一個(gè)信號(hào)中斷，那么它返回-1，并設(shè)置errno為EINTR。 -
6.waitpid示例 
8.4.4 讓進(jìn)程休眠
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sleep：讓進(jìn)程掛起一段指定的時(shí)間 -
pause：讓調(diào)用函數(shù)休眠，直到該進(jìn)程收到一個(gè)信號(hào)
8.4.5 加載并運(yùn)行程序
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execve函數(shù)在當(dāng)前進(jìn)程的上下文中加載并運(yùn)行一個(gè)新程序。execve函數(shù)加載并運(yùn)行可執(zhí)行目標(biāo)文件filename，且?guī)?shù)列表argv和環(huán)境變量列表envp。只有當(dāng)出現(xiàn)錯(cuò)誤時(shí)，才返回。參數(shù)列表和環(huán)境變量列表分別是指向一個(gè)以null結(jié)尾的指針數(shù)組，其中每個(gè)指針都指向一個(gè)參數(shù)字符串或者一個(gè)環(huán)境變量字符串。 
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當(dāng)main開始時(shí)，用戶棧的組織結(jié)構(gòu)如圖8-22。main函數(shù)有三個(gè)參數(shù)，1)argc：給出argv[]數(shù)組中非空指針的數(shù)量，2）argv：指向argv[]的第一條目，3）envp：指向envp[]的第一個(gè)條目。 
8.4.6 利用fork和execve運(yùn)行程序
8.5 信號(hào)
一個(gè)信號(hào)就是一條小消息，它通知進(jìn)程系統(tǒng)中發(fā)生了一個(gè)某種類型的事件，允許進(jìn)程和內(nèi)核中斷其他進(jìn)程。每種信號(hào)類型都對應(yīng)于某種系統(tǒng)事件，低層的硬件異常是由內(nèi)核異常處理程序處理的，正常情況下，對用戶進(jìn)程而言是不可見的。信號(hào)提供了一種機(jī)制，通知用戶進(jìn)程發(fā)生了這些異常，異常表如下
8.5.1 信號(hào)術(shù)語
傳送一個(gè)信號(hào)到目的進(jìn)程是由兩個(gè)不同的步驟組成的：
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發(fā)送信號(hào)：內(nèi)核通過更新目的進(jìn)程上下文中的某個(gè)狀態(tài)，發(fā)送（遞送）一個(gè)信號(hào)給目的進(jìn)程。發(fā)送進(jìn)程可以有如下兩種原因：1）內(nèi)核檢測到一個(gè)系統(tǒng)事件，比如除零錯(cuò)誤或者子進(jìn)程終止；2）一個(gè)進(jìn)程調(diào)用了kill函數(shù)，顯式地要求內(nèi)核發(fā)送一個(gè)信號(hào)給目的進(jìn)程，幾個(gè)進(jìn)程可以發(fā)送信號(hào)給它自己。 -
接收信號(hào) 當(dāng)目的進(jìn)程被內(nèi)核強(qiáng)迫以某種方式對信號(hào)的發(fā)送做出反應(yīng)時(shí)，它就接收了信號(hào)。進(jìn)程可以忽略這個(gè)信號(hào)，終止或者通過執(zhí)行一個(gè)稱為信號(hào)處理程序（signal handler）的用戶層函數(shù)捕獲這個(gè)信號(hào)，下面是信號(hào)處理程序捕獲信號(hào)的基本思想。 
一個(gè)發(fā)出而沒有被接收的信號(hào)叫做待處理信號(hào)（pending singal）。在任何時(shí)刻，一種類型至多只會(huì)有一個(gè)待處理信號(hào)。如果一個(gè)進(jìn)程有一個(gè)類型為k的待處理信號(hào)，那么任何接下來發(fā)送到這個(gè)進(jìn)程的類型為k的信號(hào)都不會(huì)排隊(duì)等待；他們只是被簡單地丟棄。一個(gè)進(jìn)程可以選擇性地阻塞接收某種信號(hào)。當(dāng)一種信號(hào)被阻塞時(shí)，它仍可以被發(fā)送，但是產(chǎn)生的待處理信號(hào)不會(huì)被接受，直到進(jìn)程取消對這種信號(hào)的阻塞。一個(gè)待處理信號(hào)最多只能被接受一次，內(nèi)核為每個(gè)進(jìn)程在pending位向量中維護(hù)著待處理信號(hào)的集合，而在blockerd位向量中維護(hù)著被阻塞的信號(hào)集合。只要傳送了一個(gè)類型為k的信號(hào)，內(nèi)核就會(huì)設(shè)置pending中的第k位，而只要接收了一個(gè)類型為k的信號(hào)，內(nèi)核就會(huì)清除pending中的第k位。
8.5.2 發(fā)送信號(hào)
1.進(jìn)程組 每個(gè)進(jìn)程都只屬于一個(gè)進(jìn)程組，進(jìn)程組是由一個(gè)正整數(shù)進(jìn)程組ID來標(biāo)識(shí)的。getpgrp函數(shù)返回當(dāng)前進(jìn)程的進(jìn)程組ID。默認(rèn)的，一個(gè)子進(jìn)程和它的父進(jìn)程同屬于一個(gè)進(jìn)程組。一個(gè)進(jìn)程可以通過使用setpgid函數(shù)來改變自己或者其他進(jìn)程的進(jìn)程組。setpgid 函數(shù)是在 Linux/UNIX 系統(tǒng)下用于設(shè)置某個(gè)進(jìn)程的進(jìn)程組 ID 的，它的函數(shù)原型如下：
#include <unistd.h>
int setpgid(pid_t pid, pid_t pgid);
其中，pid 表示需要設(shè)置的進(jìn)程 ID，pgid 表示需要設(shè)置的進(jìn)程組 ID。setpgid 函數(shù)可以將一個(gè)進(jìn)程設(shè)置為所指定的進(jìn)程組中的一個(gè)成員，同時(shí)可以創(chuàng)建新的進(jìn)程組。使用 setpgid 函數(shù)創(chuàng)建新的進(jìn)程組時(shí)，若 pid 參數(shù)所指的進(jìn)程尚未加入任何進(jìn)程組，則可將其作為新進(jìn)程組的組長進(jìn)程（即進(jìn)程組 ID 與該進(jìn)程 ID 相同），成功時(shí)返回 0，失敗時(shí)返回 -1。使用 setpgid 函數(shù)還可以實(shí)現(xiàn)進(jìn)程的前后臺(tái)切換。在 Linux/UNIX 系統(tǒng)中，每個(gè)終端都有一個(gè)唯一的進(jìn)程組 ID，在某個(gè)終端上運(yùn)行著的進(jìn)程都屬于該終端的進(jìn)程組。一個(gè)進(jìn)程組可以擁有多個(gè)進(jìn)程。在前臺(tái)運(yùn)行的進(jìn)程接收鍵盤輸入信號(hào)，處于后臺(tái)運(yùn)行的進(jìn)程則接收不到鍵盤輸入信號(hào)。因此通過將進(jìn)程的進(jìn)程組 ID 設(shè)置為當(dāng)前終端的進(jìn)程組 ID，可以將其放到前臺(tái)運(yùn)行，在當(dāng)前終端接受鍵盤輸入信號(hào)。使用 setpgid 函數(shù)還可以實(shí)現(xiàn)進(jìn)程的作業(yè)控制，例如將多個(gè)進(jìn)程放在同一作業(yè)中，并對該作業(yè)進(jìn)行統(tǒng)一管理。2.用/bin/kill 程序發(fā)送信號(hào) /bin/kill程序可以向另外的進(jìn)程發(fā)送任意的信號(hào)。3.從鍵盤發(fā)送信號(hào) Unix shell 使用作業(yè)（job）這個(gè)抽象概念來表示對一條命令行求值而創(chuàng)建的進(jìn)程。在任何時(shí)刻，至多只有一個(gè)前臺(tái)作業(yè)和0個(gè)或多個(gè)后臺(tái)作業(yè)。比如鍵入：
linux > ls | sort
會(huì)創(chuàng)建一個(gè)一個(gè)由兩個(gè)進(jìn)程組成的前臺(tái)作業(yè)。這兩個(gè)進(jìn)程通過Unix管道連接：一個(gè)進(jìn)程運(yùn)行l(wèi)s程序，一個(gè)進(jìn)程運(yùn)行sort程序。shell為每個(gè)作業(yè)創(chuàng)建一個(gè)獨(dú)立的進(jìn)程組。進(jìn)程ID通常取自作業(yè)中父進(jìn)程中的一個(gè)。比如，下面展示了有一個(gè)前臺(tái)作業(yè)和兩個(gè)后臺(tái)作業(yè)的shell。前臺(tái)作業(yè)中的父進(jìn)程PID為20，進(jìn)程組ID也是20.父進(jìn)程創(chuàng)建兩個(gè)子進(jìn)程，每個(gè)也都是進(jìn)程組20的成員。
在鍵盤上輸入Ctrl+C會(huì)導(dǎo)致內(nèi)核發(fā)送一個(gè)SIGINT信號(hào)到前臺(tái)進(jìn)程組中的每個(gè)進(jìn)程。默認(rèn)情況下，結(jié)果是終止前臺(tái)作業(yè)。類似的，輸入Ctrl+Z會(huì)發(fā)送一個(gè)SIGTSTO信號(hào)到前臺(tái)進(jìn)程組中的每個(gè)進(jìn)程。默認(rèn)情況下，結(jié)果是停止（掛起）前臺(tái)作業(yè)。4.用kill函數(shù)發(fā)送信號(hào) 進(jìn)程通過調(diào)用kill函數(shù)發(fā)送信號(hào)給其他進(jìn)程（包括自己） 下面展示了父進(jìn)程用kill函數(shù)發(fā)送SIGKILL信號(hào)給它的子進(jìn)程。
5.用alarm函數(shù)發(fā)送信號(hào) 進(jìn)程可以通過調(diào)用alarm函數(shù)向他自己發(fā)送SIGALRM信號(hào)。alarm函數(shù)安排內(nèi)核在secs后發(fā)送一個(gè)SIGALRM信號(hào)給調(diào)用進(jìn)程，如果secs=0，則不會(huì)調(diào)度安排新的鬧鐘（alarm）。
8.5.3 接收信號(hào)
當(dāng)內(nèi)核把進(jìn)程p從內(nèi)核模式切換到用戶模式時(shí)（eg：從系統(tǒng)調(diào)用返回或是完成了一次上下文切換），它會(huì)檢查進(jìn)程p的未被阻塞的待處理信號(hào)的集合（pending & ~blocked）。如果這個(gè)集合為空（通常情況下），那么內(nèi)核將控制傳遞到p的邏輯控制流中的下一條指令。如果集合是非空的，那么內(nèi)核將控制傳遞到p的邏輯控制流中的下一條指令，并且強(qiáng)制p接受信號(hào)k。收到這個(gè)信號(hào)會(huì)觸發(fā)進(jìn)程采取某種行為。一旦進(jìn)程完成了這個(gè)行為，那么控制就傳遞回p的邏輯控制流中的下一條指令（ )。每個(gè)信號(hào)類型都有一個(gè)預(yù)定義的默認(rèn)行為，是下面的一種：
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進(jìn)程終止 -
進(jìn)程終止并轉(zhuǎn)儲(chǔ)內(nèi)存 -
進(jìn)程停止（掛起）直到被SIGCONT信號(hào)重啟 -
進(jìn)程忽略該信號(hào)
進(jìn)程可以通過signal函數(shù)修改和信號(hào)相關(guān)聯(lián)的默認(rèn)行為，唯一的例外是SIGSTOP和SIGKILL，其默認(rèn)行為不能修改 signal函數(shù)可以通過下列三種方法之一來改變和信號(hào)signum相關(guān)聯(lián)的行為：
-
如果handler是SIG_IGN，那么忽略類型為signum的信號(hào) -
如果handler是SIG——DFL，那么類型為signum的信號(hào)行為恢復(fù)為默認(rèn)行為 -
否則，handler就是用用戶定義的函數(shù)的地址，這個(gè)函數(shù)被稱為信號(hào)處理程序，只要進(jìn)城接收到signal函數(shù)從而改變默認(rèn)行為，這個(gè)叫做設(shè)置信號(hào)處理程序（installing the handler）。調(diào)用信號(hào)處理程序被稱為捕獲信號(hào)，執(zhí)行信號(hào)處理程序被稱為處理信號(hào)。
當(dāng)一個(gè)進(jìn)程捕獲了一個(gè)類型為k的信號(hào)時(shí)，會(huì)調(diào)用為信號(hào)k設(shè)置的處理程序，一個(gè)整數(shù)參數(shù)被設(shè)置為k，這個(gè)參數(shù)允許同一個(gè)處理函數(shù)捕獲不同類型的信號(hào)。當(dāng)處理程序執(zhí)行它的return語句時(shí)，控制（通常）傳遞回控制流中進(jìn)程被信號(hào)接收中斷位置處的指令。eg：8-30，修改了Ctrl-Z的默認(rèn)行為
信號(hào)處理程序可以被其他信號(hào)處理程序中斷，如下。
8.5.4 阻塞和解除阻塞信號(hào)
Linux提供阻塞信號(hào)的隱式和顯式機(jī)制
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隱式阻塞機(jī)制：內(nèi)核默認(rèn)阻塞任何當(dāng)前處理程序正在處理信號(hào)類型的待處理的信號(hào)。eg：如上圖中，假設(shè)程序捕獲了信號(hào)s，當(dāng)前正在運(yùn)行處理程序S。如果發(fā)送給該進(jìn)程另一個(gè)信號(hào)s，那么直到處理程序S返回，s會(huì)變成待處理而沒有被接收。 -
顯式阻塞機(jī)制：應(yīng)用程序可以使用sigprocmask函數(shù)和它的輔助函數(shù)，明確地阻塞和解除阻塞選定的信號(hào)。sigprocmask 是一個(gè) POSIX 標(biāo)準(zhǔn)定義的系統(tǒng)調(diào)用函數(shù)，用來設(shè)置和獲取進(jìn)程的信號(hào)屏蔽字?？梢酝ㄟ^ sigprocmask 函數(shù)調(diào)用設(shè)置進(jìn)程阻塞某些信號(hào)或解除信號(hào)阻塞。
sigprocmask 函數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)簽名如下：
#include <signal.h>
int sigprocmask(int how, const sigset_t *set, sigset_t *oldset);
其中，how 參數(shù)指定了操作方式，可以是以下幾個(gè)常量中的一個(gè)：
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SIG_BLOCK ：將 set 中的所有信號(hào)添加到當(dāng)前進(jìn)程的信號(hào)屏蔽字中。
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SIG_UNBLOCK ：將 set 中的所有信號(hào)從當(dāng)前進(jìn)程的信號(hào)屏蔽字中刪除。
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SIG_SETMASK ：將當(dāng)前信號(hào)屏蔽字設(shè)置為 set 中的值。
set參數(shù)是一個(gè)指向 sigset_t 類型的指針，該類型是一個(gè)位向量表示信號(hào)集。如果設(shè)置信號(hào)屏蔽字，set指向的實(shí)際位向量中包含的是屏蔽信號(hào)的位，未屏蔽的信號(hào)的位則被清除。如果您想阻止信號(hào)，則需要修改該信號(hào)的位狀態(tài)。另外，oldset 參數(shù)是一個(gè)輸出參數(shù)，它記錄了之前當(dāng)前進(jìn)程的信號(hào)屏蔽字狀態(tài)。例如，下面的代碼存儲(chǔ)了當(dāng)前進(jìn)程的信號(hào)屏蔽字并禁用 SIGINT 信號(hào)：
#include <signal.h>
int main() {
sigset_t newmask, oldmask;
// 初始化屏蔽字
sigemptyset(&newmask);
sigaddset(&newmask, SIGINT);
// 設(shè)置屏蔽字，保存舊值
sigprocmask(SIG_BLOCK, &newmask, &oldmask);
// 執(zhí)行某些需要屏蔽信號(hào)的操作
// 恢復(fù)舊屏蔽字
sigprocmask(SIG_SETMASK, &oldmask, NULL);
return 0;
}
上面的代碼首先創(chuàng)建一個(gè)新信號(hào)屏蔽字 newmask，它將 SIGINT 信號(hào)阻止。然后調(diào)用 sigprocmask 函數(shù)阻止了該信號(hào)，并存儲(chǔ)了舊的屏蔽字。在此之后，執(zhí)行需要被屏蔽信號(hào)的操作，然后恢復(fù)舊的信號(hào)屏蔽字，讓 SIGINT 信號(hào)回到原始的可被處理狀態(tài)。
8.5.5 編寫信號(hào)處理程序
處理程序難以推理分析的原因：
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處理程序與主程序并發(fā)運(yùn)行，共享同樣的全局變量，因此可能與主程序和其他處理程序互相干擾 -
如何以及何時(shí)接收信號(hào)的規(guī)則常常有違人的直覺 -
不同系統(tǒng)有不同信號(hào)處理語義 基本規(guī)則 -
1.安全的信號(hào)處理 -
處理程序要盡可能簡單 -
處理程序終止調(diào)用異步信號(hào)安全的函數(shù)：所謂異步信號(hào)安全的函數(shù)能夠被信號(hào)處理程序安全地調(diào)用，原因有2:1）要么它是可重入的（可重入（reentrant）是計(jì)算機(jī)科學(xué)中的一個(gè)概念，指的是一個(gè)程序、代碼段或者是共享資源，可以被多個(gè)并發(fā)的線程或者進(jìn)程同時(shí)使用，而不會(huì)引起不一致或崩潰等問題。具體來說，可重入的代碼必須滿足以下條件：可重入的代碼自身不跟蹤任何狀態(tài)，或者任何狀態(tài)信息必須由調(diào)用者或環(huán)境傳遞進(jìn)來?？芍厝氲拇a必須保證它不擁有任何全局或靜態(tài)的狀態(tài)變量?？芍厝氲拇a必須使用局部變量而非靜態(tài)變量，因?yàn)榫植孔兞吭跅Ｖ蟹峙?，每個(gè)線程或進(jìn)程都有自己獨(dú)立的棧空間?？芍厝氲拇a必須使用互斥鎖或信號(hào)量等線程同步機(jī)制，以防止多個(gè)線程或進(jìn)程同時(shí)訪問它們的臨界區(qū)資源。使用可重入的代碼可以提高程序的性能和可維護(hù)性，并避免競爭條件和死鎖等問題。可重入代碼常見的應(yīng)用包括操作系統(tǒng)內(nèi)核、庫函數(shù)等)，2）要么它不能被信號(hào)處理程序中斷。圖8-33列出了Linux保證安全的系統(tǒng)級函數(shù)。(信號(hào)處理程序產(chǎn)生輸出唯一安全的方法是使用write函數(shù)，使用printf或者sprintf是不安全的) -
保存和恢復(fù)errno：進(jìn)入處理程序時(shí)把出錯(cuò)返回時(shí)設(shè)置的errno保存在一個(gè)局部變量中 -
阻塞所有的信號(hào)，保護(hù)對共享全局?jǐn)?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的訪問。如果處理程序和主程序或其他處理程序共享一個(gè)全局?jǐn)?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，那么在訪問該數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)時(shí)，你的處理程序和主程序應(yīng)該暫時(shí)阻塞所有的信號(hào)。這條規(guī)則的原因是：從主程序訪問一個(gè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)d通常需要一系列的指令，如果指令序列被訪問d的處理程序中斷，那么處理程序可能會(huì)發(fā)現(xiàn)d的狀態(tài)不一致，得到不可預(yù)知的結(jié)果。 -
用volatile聲明全局變量：使用關(guān)鍵字“volatile”可以聲明一個(gè)變量為“易變的（volatile）”，使得該變量的值可能被意外更改，即該變量的值可能被程序外部的因素更改，例如操作系統(tǒng)或硬件。通常，這種情況發(fā)生在多線程/多進(jìn)程程序或者嵌入式系統(tǒng)中。當(dāng)我們在使用全局變量時(shí)，如果其值會(huì)被通過其他方式修改（比如中斷處理函數(shù)），我們就應(yīng)該使用volatile關(guān)鍵字來修飾該變量，保證在程序中使用該變量時(shí)總是讀取最新的值。在多線程/多進(jìn)程程序中，當(dāng)一個(gè)線程或進(jìn)程修改了某個(gè)全局變量時(shí)，其他線程或進(jìn)程會(huì)在不知情的情況下讀取過期的或者不正確的值，這可能會(huì)導(dǎo)致不可預(yù)期的結(jié)果，為了避免這種情況，我們可以使用volatile關(guān)鍵字來使得該變量的值隨時(shí)保持最新。需要注意的是，使用volatile關(guān)鍵字會(huì)影響編譯器的優(yōu)化過程，因?yàn)榫幾g器不會(huì)對該變量做過多的優(yōu)化，以保證程序的正確性。 -
用sig_atomic_t聲明標(biāo)志：保證信號(hào)的讀寫是原子的。 
-
2.正確的信號(hào)處理 未處理的信號(hào)是不排隊(duì)的，因?yàn)閜ending位想兩種每種類型的信號(hào)只對應(yīng)有一位，所以每種類型最多只能有一個(gè)未處理信號(hào)，多余的信號(hào)都會(huì)被丟棄。 -
3.可移植的信號(hào)處理 Unix信號(hào)處理的另一個(gè)缺陷在于不同的系統(tǒng)有不同的信號(hào)處理語義： -
signal函數(shù)的語義各有不同 -
系統(tǒng)調(diào)用可以被中斷：像read、write和accpet這樣的系統(tǒng)調(diào)用潛在地會(huì)阻塞進(jìn)程一段較長的時(shí)間，稱為慢速系統(tǒng)調(diào)用。為了解決以上問題，Posix標(biāo)準(zhǔn)定義了sigaction函數(shù)，允許用戶在設(shè)置信號(hào)處理時(shí)，明確指定他們想要的信號(hào)處理含義。sigaction的替代方案是定義一個(gè)叫做signal的包裝函數(shù)調(diào)用sigaction
8.5.6 同步流以避免討厭的并發(fā)錯(cuò)誤
eg：考慮圖8-39的程序，它總結(jié)了一個(gè)典型的Unix shell的結(jié)構(gòu)。父進(jìn)程在一個(gè)全局作業(yè)列表中記錄著它的當(dāng)前子進(jìn)程，每一個(gè)作業(yè)一個(gè)條目。addjob和deletejob函數(shù)分別向這個(gè)作業(yè)列表添加和從中刪除作業(yè)。當(dāng)父進(jìn)程創(chuàng)建一個(gè)新的子進(jìn)程后，它就把這個(gè)子進(jìn)程添加到作業(yè)列表中。當(dāng)父進(jìn)程在SIGCHLD處理程序中回收一個(gè)終止的子進(jìn)程時(shí)，它就從作業(yè)列表中刪除這個(gè)子進(jìn)程。問題是，可能會(huì)發(fā)生這樣的事情：
-
1）父進(jìn)程執(zhí)行fork函數(shù)，內(nèi)核調(diào)度新創(chuàng)建的子進(jìn)程運(yùn)行，而不是父進(jìn)程； -
2）在父進(jìn)程能夠再次運(yùn)行之前，子進(jìn)程就終止，并且變成一個(gè)僵死進(jìn)程，使得內(nèi)核傳遞一個(gè)SIGCHLD信號(hào)給父進(jìn)程； -
3）后來，當(dāng)父進(jìn)程再次變成可運(yùn)行但又在它執(zhí)行之前，內(nèi)核注意到有未處理的SIGCHLD信號(hào)，并通過在父進(jìn)程中運(yùn)行處理程序接受這個(gè)信號(hào)； -
4）信號(hào)處理程序回收終止的子進(jìn)程，并調(diào)用deletejob，這個(gè)函數(shù)什么也不做，因?yàn)楦高M(jìn)程還沒有把該子進(jìn)程添加到列表中； -
5）在處理程序執(zhí)行完畢之后，內(nèi)核運(yùn)行父進(jìn)程，父進(jìn)程從fork返回，通過調(diào)用addjob錯(cuò)誤地把不存在的子進(jìn)程添加到作業(yè)列表中
因此，對于父進(jìn)程的main程序和信號(hào)處理流的某些交錯(cuò)，可能會(huì)在addjob之前調(diào)用deletejob。這會(huì)導(dǎo)致作業(yè)列表出現(xiàn)一個(gè)不正確的條目，對應(yīng)于一個(gè)不再存在而且永遠(yuǎn)也不會(huì)被刪除的作業(yè)。另一方面，也有一些交錯(cuò)，事件按照正確的順序發(fā)生。eg：如果在fork調(diào)用返回時(shí)，內(nèi)核剛好調(diào)度父進(jìn)程而不是子進(jìn)程運(yùn)行，那么父進(jìn)程就會(huì)正確地把子進(jìn)程添加到作業(yè)列表中，然后子進(jìn)程終止，信號(hào)處理函數(shù)把該作業(yè)從列表中刪除。
這是一個(gè)稱為競爭（race）的經(jīng)典同步錯(cuò)誤的示例。在這個(gè)情況下，main函數(shù)中調(diào)用addjob和處理程序中調(diào)用deletejob之間存在競爭。如果addjob贏，則結(jié)果是正確的，反之則出錯(cuò)。圖8-40展示了消除圖8-39中競爭的一種方法，通過在調(diào)用fork之前，阻塞SIGCHLD信號(hào)，然后在調(diào)用addjob之后，取消阻塞。
8.5.7 顯式地等待信號(hào)
圖8-41給了一個(gè)基本思路。父進(jìn)程設(shè)置SIGINT和SIGCHLD的處理程序，然后進(jìn)入一個(gè)無限循環(huán)。它阻塞SIGCHLD信號(hào)，避免父進(jìn)程和子進(jìn)程之間的競爭。創(chuàng)建了子進(jìn)程之后，把pid重置為0，取消阻塞SIGCHLD，然后以循環(huán)的方式等待pid變?yōu)榉橇?。子進(jìn)程終止后，處理程序回收它，把它非零的PID賦值給全局pid變量，終止循環(huán)。
上訴代碼的問題是循環(huán)浪費(fèi)資源，有以下解決辦法：
-
使用pause，會(huì)有競爭 -
使用sleep，無法確定合適的事件 -
使用sigsuspend，闊以
sigsuspend 是一個(gè) UNIX 系統(tǒng)調(diào)用，用于暫停進(jìn)程并等待信號(hào)。當(dāng)進(jìn)程執(zhí)行 sigsuspend 時(shí)，它會(huì)阻塞，直到收到指定信號(hào)之一為止。這個(gè)系統(tǒng)調(diào)用通常用于等待異步事件，比如定時(shí)器或 Socket 等待連接或數(shù)據(jù)。
sigprocmask 和 sigaction 是 sigsuspend 的前置條件，這些系統(tǒng)調(diào)用可用于管理信號(hào)處理程序和控制信號(hào)的接收。在一些情況下，進(jìn)程可能需要暫停其信號(hào)處理器以等待特定信號(hào)，這時(shí)就需要使用 sigsuspend。
圖8-42是使用sigsuspend的例子。
8.6 非本地跳轉(zhuǎn)
C提供了一種用戶級異常控制流形式，稱為非本地跳轉(zhuǎn)（nonlocal jump)，它將控制直接從一個(gè)函數(shù)轉(zhuǎn)移到另一個(gè)當(dāng)前正在執(zhí)行的函數(shù)，而不需要經(jīng)過正常的調(diào)用-返回序列，非本地跳轉(zhuǎn)是通過setjmp和longjmp函數(shù)來提供的。
setjmp 是一個(gè) C 語言標(biāo)準(zhǔn)庫函數(shù)，它允許程序在任意位置保存當(dāng)前上下文，并在后續(xù)恢復(fù)該上下文。它通常用于實(shí)現(xiàn)非局部跳轉(zhuǎn)（longjmp）。
當(dāng)調(diào)用 setjmp 時(shí)，它會(huì)保存當(dāng)前的 CPU 上下文，包括棧指針、程序計(jì)數(shù)器和寄存器等信息。然后它會(huì)返回 0。此后，如果調(diào)用 longjmp 并傳入相同的 jmp_buf 參數(shù)，程序?qū)?huì)回到 setjmp 調(diào)用的位置，并且 setjmp 的返回值將為非零值。
setjmp 的返回值和傳遞給 longjmp 的非零值之間不存在顯式的聯(lián)系。通常，開發(fā)者會(huì)使用 setjmp 的返回值作為一個(gè)狀態(tài)指示器，用來判斷程序是從 setjmp 返回的還是從 longjmp 跳轉(zhuǎn)回來的。
一個(gè)常見的用途是處理異常。當(dāng)程序發(fā)生錯(cuò)誤需要跳轉(zhuǎn)出去時(shí)，可以使用 setjmp 保存當(dāng)前環(huán)境，然后在異常處理函數(shù)中使用 longjmp 返回到之前保存的環(huán)境。這樣就可以避免使用一些過于復(fù)雜的結(jié)構(gòu)來處理異常。
longjmp 是一個(gè) C 語言標(biāo)準(zhǔn)庫函數(shù)，用于進(jìn)行非局部跳轉(zhuǎn)。與 goto 不同的是，longjmp 可以跳出多層函數(shù)調(diào)用，返回到調(diào)用 setjmp 時(shí)保存的上下文狀態(tài)。
當(dāng)調(diào)用 longjmp 時(shí)，會(huì)使程序跳轉(zhuǎn)到之前調(diào)用過 setjmp 保存的上下文狀態(tài)。longjmp 的第二個(gè)參數(shù)指定跳轉(zhuǎn)時(shí)的返回值。
longjmp 的使用必須在 setjmp 的作用域范圍內(nèi)。如果 longjmp 跳轉(zhuǎn)到了不在 setjmp 的作用域內(nèi)的位置，程序的行為將是未定義的。
由于 longjmp 的跳轉(zhuǎn)是非常強(qiáng)大和危險(xiǎn)的，因此它通常被用于處理異常情況，當(dāng)程序遇到意外錯(cuò)誤時(shí)，使用 setjmp 在當(dāng)前位置進(jìn)行狀態(tài)保存，然后在異常處理函數(shù)中使用 longjmp 跳轉(zhuǎn)到保存的狀態(tài)進(jìn)行處理。 但是，使用 setjmp 和 longjmp 時(shí)需要非常小心，確保它們被正確使用，否則會(huì)導(dǎo)致程序崩潰或產(chǎn)生其他嚴(yán)重問題。
圖8.43展示了一個(gè)非本地跳轉(zhuǎn)的例子。非本地跳轉(zhuǎn)的一個(gè)重要應(yīng)用是允許從一個(gè)深層嵌套的函數(shù)調(diào)用中立即返回，通常是由檢測到某個(gè)錯(cuò)誤情況引起的。如果在一個(gè)深層嵌套的函數(shù)調(diào)用中發(fā)現(xiàn)了一個(gè)錯(cuò)誤情況，我們可以使用非本地跳轉(zhuǎn)直接返回到一個(gè)普通的本地化的錯(cuò)誤處理程序，而不是費(fèi)力地解開調(diào)用棧。
longjmp允許它跳過所有中間調(diào)用的特性可能產(chǎn)生意外的后果。eg：如果中間函數(shù)調(diào)用中分配了某些數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，本來預(yù)期在函數(shù)結(jié)尾處釋放它們，那么這些釋放代碼會(huì)被跳過，從而產(chǎn)生內(nèi)存泄漏。
非本地跳轉(zhuǎn)的另一個(gè)重要應(yīng)用是使一個(gè)信號(hào)處理程序分支到一個(gè)特殊的代碼位置，而不是返回到被信號(hào)到達(dá)中斷了的指令的位置。圖8-44展示了一個(gè)簡單的技術(shù)，說明了這種基本技術(shù)：當(dāng)用戶在鍵盤上鍵入Ctrl + C時(shí)，這個(gè)程序用信號(hào)和非本地跳轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)軟重啟。sigsetimp和siglongjmp是setjmp和longjmp的可以被信號(hào)處理程序使用的版本。在程序第一次啟動(dòng)時(shí)，對sigsetimp函數(shù)的初始調(diào)用保存調(diào)用環(huán)境和信號(hào)的上下文（包括待處理的和被阻塞的信號(hào)向量）。隨后，主函數(shù)進(jìn)入一個(gè)無限循環(huán)。當(dāng)用戶鍵入Ctril + C時(shí)，內(nèi)核發(fā)送一個(gè)SIGINT信號(hào)給這個(gè)進(jìn)程，該進(jìn)程捕獲這個(gè)信號(hào)。不是從信號(hào)處理程序返回，而是實(shí)現(xiàn)一個(gè)非本地跳轉(zhuǎn)，回到main函數(shù)的開始處。兩個(gè)注意點(diǎn)：
-
必須在調(diào)用了sigsetimp之后再設(shè)置處理程序。否則就會(huì)冒在初始調(diào)用sigsetimp為siglongjmp設(shè)置調(diào)用環(huán)境之前運(yùn)行處理程序的風(fēng)險(xiǎn) -
sigsetjmp和siglongjmp函數(shù)不在8-33異步信號(hào)安全的函數(shù)之列，因?yàn)槠淇梢蕴饺我獯a，所以最好只在siglongjmp可達(dá)的代碼中調(diào)用安全的函數(shù)。
8.7 操作進(jìn)程的工具
-
STRACE：
strace 是一種 Linux 系統(tǒng)級調(diào)試工具，它可以跟蹤和記錄應(yīng)用程序執(zhí)行時(shí)所有系統(tǒng)調(diào)用和信號(hào)，以便分析和調(diào)試程序。它可以用來解決一些問題，例如程序運(yùn)行慢、程序崩潰或掛起等。
使用 strace 可以獲取程序在執(zhí)行時(shí)調(diào)用系統(tǒng)庫的詳細(xì)信息和調(diào)用順序，例如文件操作、網(wǎng)絡(luò)操作、進(jìn)程管理等，可以顯示系統(tǒng)調(diào)用的返回值、參數(shù)以及調(diào)用時(shí)間等詳細(xì)信息。通過查看 strace 輸出可以判斷程序是否正常執(zhí)行，是否有權(quán)限問題或者其他異常。
strace 的使用非常簡單，只需要在命令前加上 strace 即可，例如：
strace ls -l
這條命令會(huì)跟蹤 ls -l 命令執(zhí)行時(shí)所有的系統(tǒng)調(diào)用和信號(hào)，并將結(jié)果輸出到標(biāo)準(zhǔn)輸出。
除了常見的選項(xiàng)，例如 -o 參數(shù)可以將輸出保存到文件中，-p 參數(shù)可以指定要跟蹤的進(jìn)程 ID，-f 參數(shù)可以跟蹤子進(jìn)程等。strace 是 Linux 系統(tǒng)中非常有用的調(diào)試工具之一。
-
PS
ps 是一個(gè)常用的 Linux 命令，用于查看系統(tǒng)進(jìn)程信息。ps 命令可以顯示與當(dāng)前登錄用戶有關(guān)的所有進(jìn)程，或者指定進(jìn)程的信息。你可以使用 ps 命令來監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)，或者找到某個(gè)進(jìn)程的 PID（進(jìn)程ID）。
ps 命令的常用選項(xiàng)包括：
ps aux 列出所有進(jìn)程的詳細(xì)信息，包括進(jìn)程的 PID、占用 CPU 的百分比、占用內(nèi)存的百分比、啟動(dòng)時(shí)間、命令及其參數(shù)等。
ps -f 以完整格式顯示進(jìn)程信息。
ps -ef 以完整格式顯示所有進(jìn)程信息，包括命令行參數(shù)，使用 UID 和 GID 顯示所有者和組。
ps -e 列出所有正在運(yùn)行的進(jìn)程。
ps -C command_name 顯示指定命令的進(jìn)程信息。
ps -p pid 顯示指定進(jìn)程的信息。
ps -t terminal 僅顯示運(yùn)行在指定終端上的進(jìn)程。
其中 aux 和 ef 是最常用的選項(xiàng)，可以顯示最詳細(xì)的進(jìn)程信息。例如：
ps aux
該命令會(huì)列出當(dāng)前系統(tǒng)上所有的進(jìn)程信息，并展示詳細(xì)的配置信息，讓你很容易找到正在運(yùn)行的進(jìn)程信息和相應(yīng)的 PID。
ps -h 是 ps 命令的一個(gè)選項(xiàng)，它的作用是隱藏 ps 命令輸出中的標(biāo)題行。這意味著當(dāng)你使用 ps -h 命令時(shí)，你只會(huì)看到進(jìn)程信息，而不會(huì)看到默認(rèn)的標(biāo)題行。
-
TOP
top 是一個(gè)命令行實(shí)用程序，它可以在類 Unix 系統(tǒng)中可視化地顯示進(jìn)程活動(dòng)和系統(tǒng)資源的使用情況。它具有實(shí)時(shí)監(jiān)視的功能，可以幫助管理員了解系統(tǒng)的性能，并能夠及時(shí)響應(yīng)問題。
當(dāng)你運(yùn)行 top 命令時(shí)，它會(huì)向你展示一個(gè)實(shí)時(shí)更新的進(jìn)程列表，列表按照 CPU 使用率或內(nèi)存消耗來排序。默認(rèn)情況下，列表按照 CPU 使用率排序，最先顯示最消耗 CPU 的進(jìn)程。你可以按下不同的鍵來切換列表的排序方式。
top 命令還會(huì)顯示系統(tǒng)的負(fù)載情況（即 CPU 利用率）、內(nèi)存使用情況、交換空間使用情況、進(jìn)程數(shù)量等信息。它還會(huì)提供一些基本的交互式功能，例如在進(jìn)程列表中選擇進(jìn)程來終止它們，修改進(jìn)程的優(yōu)先級等。
-
PMAP
pmap 是一個(gè)命令行實(shí)用程序，它可以顯示指定進(jìn)程或進(jìn)程 ID 的內(nèi)存映射情況。它通常用于診斷和調(diào)試進(jìn)程的內(nèi)存使用情況，包括進(jìn)程占用的內(nèi)存大小、內(nèi)存區(qū)域的地址范圍、內(nèi)存映射文件、共享庫等信息。
當(dāng)你運(yùn)行 pmap 命令時(shí)，可以看到如下輸出：
$ pmap 1234
1234: /usr/bin/python3 myscript.py
0000555555554000 48K r-x-- myscript.py
0000555555571000 2048K ----- myscript.py
00007ffff7a38000 1408K r---- libc-2.27.so
00007ffff7bd5000 1048K r-x-- libc-2.27.so
00007ffff7cf3000 24K r---- libc-2.27.so
00007ffff7cf9000 8K rw--- libc-2.27.so
00007ffff7cfb000 16K rw--- [ anon ]
00007ffff7cff000 144K r-x-- ld-2.27.so
00007ffff7ee4000 12K rw--- [ anon ]
00007ffff7eee000 8K rw--- [ anon ]
00007ffff7ef0000 4K r---- ld-2.27.so
00007ffff7ef1000 4K rw--- ld-2.27.so
00007ffff7ef2000 4K rw--- [ anon ]
00007ffff7ef3000 4K r---- myscript.py
00007ffff7ef4000 4K rw--- myscript.py
00007ffffffde000 132K rw--- [ stack ]
ffffffffff600000 4K r-x-- [ anon ]
---------------- ------
total 3896K
輸出中分別列出了進(jìn)程中的內(nèi)存區(qū)域，并顯示了每個(gè)區(qū)域的地址范圍、權(quán)限、來源以及占用的內(nèi)存大小。在這個(gè)例子中，pmap 命令顯示了進(jìn)程 ID 為 1234 的 Python 進(jìn)程的內(nèi)存映射情況，其中還包括 Python 解釋器使用的一些共享庫和內(nèi)存區(qū)域。你可以使用 pmap 命令來確定內(nèi)存使用情況、查找內(nèi)存泄漏或者優(yōu)化進(jìn)程占用的內(nèi)存等。
-
/proc
通過讀取 /proc 目錄中的文件，可以獲得有關(guān)系統(tǒng)和進(jìn)程狀態(tài)的各種信息。
例如，讀取 /proc/cpuinfo 文件可以獲得有關(guān) CPU 型號(hào)、頻率、核心數(shù)和緩存等信息。讀取 /proc/meminfo 文件可以獲得有關(guān)系統(tǒng)內(nèi)存使用情況的信息。讀取 /proc/[pid]/status 文件可以獲得特定進(jìn)程的狀態(tài)信息，如進(jìn)程 ID、用戶名、運(yùn)行狀態(tài)、內(nèi)存使用情況等。
/proc 目錄下的文件和目錄通常都是只讀的，但在某些情況下也可以進(jìn)行寫入。例如，向 /proc/sys/kernel/hostname 文件中寫入一個(gè)新的主機(jī)名可以更改系統(tǒng)的名稱。此外，通過在 /proc/sys 目錄中進(jìn)行寫入，可以更改系統(tǒng)內(nèi)核的一些參數(shù)和配置。
總之，/proc 為我們提供了一種查看和更改系統(tǒng)狀態(tài)、進(jìn)程狀態(tài)和內(nèi)核參數(shù)的方法。但是需要注意的是，在讀取和寫入 /proc 目錄下的文件時(shí)，需要有足夠的權(quán)限才可以進(jìn)行操作。
shlab hw：
-
op:
編譯：make 測試某一個(gè)：make test{num} 查看標(biāo)準(zhǔn)答案：make rtest{num}
-
要修改的函數(shù)：如上
-
eval: 解析判斷cmdline，查看是否為builtin_cmd，如果不是，如果是后臺(tái)運(yùn)行，則阻塞，起子進(jìn)程，子進(jìn)程中解阻塞，運(yùn)行，主進(jìn)程addjob，解阻塞;如果是，進(jìn)入builtin_cmd。 -
builtin_cmd: 給quit、&、jobs、fg、bg做結(jié)構(gòu)判斷，如果是bg/fg，則進(jìn)入do_bgfg. -
do_bgfg:解析cmdline,并操作 -
waitfg：等待停止 -
sigchld_handler:等待對應(yīng)進(jìn)程狀態(tài)變化，并根據(jù)變化時(shí)信號(hào)狀態(tài)進(jìn)程進(jìn)行deletejob（EXITED/SIGNQALED）/getjobpid(STOPPED) -
sigint_hanler :捕獲ctrl-c -
sigtstp_handler:捕獲ctrl-z -
test:
-
02:退出 -
03：前臺(tái)進(jìn)程，退出 -
04：run后臺(tái)臺(tái)進(jìn)程 -
05: 運(yùn)行后臺(tái)進(jìn)程并列出 -
06：運(yùn)行前臺(tái)進(jìn)程，并給出ctrl_z信號(hào) -
07: 同時(shí)運(yùn)行前后臺(tái)進(jìn)程并列出 -
08: 同時(shí)運(yùn)行前后臺(tái)進(jìn)程給信號(hào)到前臺(tái)并列出 -
09: 同時(shí)運(yùn)行前后臺(tái)進(jìn)程 將前臺(tái)進(jìn)程變成后臺(tái)，并列出 -
10: 運(yùn)行后臺(tái)進(jìn)程 將后臺(tái)進(jìn)程變成前臺(tái)，并列出 -
11: 運(yùn)行后臺(tái)進(jìn)程 將后臺(tái)進(jìn)程變成前臺(tái)，并列出 -
12 - 13: ps -a -
14: 錯(cuò)誤處理 -
15: 綜合 -
16: 測試其他進(jìn)程給的SIGTSTP 和 SIGINT
github：
https://github.com/liuxubit/csapp_labs/tree/shlab
reference：
https://gitee.com/sun-hongwei8011/csapp-lab