08 异常控制流、进程与信号

本章知识图谱

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什么是 ECF

普通控制流由分支、跳转、调用、返回改变，通常只依赖程序内部状态。

异常控制流 ECF 响应系统状态变化：

磁盘或网络数据到达。
除零或非法内存访问。
用户按下 Ctrl-C。
定时器中断。
子进程终止。

ECF 存在于多个层次：

硬件/OS：异常。
OS：进程上下文切换。
OS：信号。
C 运行时：setjmp/longjmp。

四类异常

类型	原因	同步/异步	返回行为	例子
interrupt	I/O 设备信号	异步	返回下一条指令	键盘、磁盘完成
trap	故意触发	同步	返回下一条指令	系统调用
fault	可能可恢复错误	同步	可能返回当前指令	page fault
abort	不可恢复错误	同步	不返回	硬件致命错误

系统调用是 trap。用户程序主动进入内核，请求内核服务。

进程抽象

进程是运行中程序的实例。它提供两个关键抽象：

独立逻辑控制流：每个程序好像独占 CPU。
私有地址空间：每个程序好像独占内存。

实际机制：

CPU 在多个进程间切换。
内核保存当前寄存器上下文。
调度另一个进程。
恢复另一个进程寄存器和地址空间。

并发与并行：

并发：两个控制流时间区间重叠。
并行：两个控制流真的同时在不同 CPU/core 上运行。

用户模式与内核模式

用户程序不能直接执行特权操作，例如直接访问设备、修改页表。需要通过系统调用进入内核。

内核模式可以：

访问硬件设备。
修改页表和进程状态。
调度进程。
发送信号。

进程状态

常见状态：

Running：正在运行或可运行等待调度。
Stopped：暂停，直到收到继续信号。
Terminated：终止，等待父进程回收。

僵尸进程：

子进程已经终止。
父进程尚未 wait 回收。
内核仍保留退出状态等信息。

`fork`

fork 创建子进程：

父子进程几乎拥有相同的虚拟地址空间内容。
父进程中返回子进程 PID。
子进程中返回 0。
失败返回 -1。

典型代码：

pid_t pid = fork();
if (pid == 0) {
    /* child */
} else {
    /* parent */
}

多次 fork 输出行数：

fork();
fork();
printf("hello\n");

若不考虑缓冲复制造成的额外复杂性，进程数为 $2^{2} = 4$ ，输出 4 行。

复杂 fork 题步骤：

画进程树。
每个 fork 父子都从下一条语句继续执行。
条件中的 fork 要区分父进程返回非 0、子进程返回 0。
输出次数等于到达 printf 的进程数。

`execve`

execve 在当前进程中加载并运行新程序：

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

特点：

不创建新进程。
替换当前进程的代码、数据、堆、栈。
PID 通常不变。
成功后不返回；失败才返回 -1。

Shell 执行外部命令常用：

if (fork() == 0) {
    execve(path, argv, envp);
    exit(1);
}
waitpid(pid, &status, 0);

`wait` 和 `waitpid`

wait 等待任意一个子进程终止。

waitpid 可等待指定子进程，或配合选项实现非阻塞等待。

用途：

回收子进程，避免僵尸。
获取退出状态。
Shell 等待前台任务完成。

后台任务问题：

简单 shell 只等待前台进程。
后台进程终止时，父进程若不处理 SIGCHLD 并回收，会产生僵尸。

信号基本概念

信号是内核发送给进程的小消息，通知某类事件发生。

发送信号：

内核更新目标进程上下文中的信号状态。
触发原因可以是硬件异常、键盘、kill、子进程终止等。

接收信号：

内核把进程从内核态切回用户态时，检查待处理且未阻塞的信号。
若有信号，则让进程执行默认动作或用户 handler。

默认动作：

终止。
终止并 dump core。
停止。
忽略。

Pending 与 Blocked

重要事实：

pending：信号已发送但未接收。
blocked：进程暂时阻塞某类信号。
同一类型 pending 信号最多记录一个，信号不是可靠队列。

内核检查：

p n b = p e n d i n g & \sim b l o c k e d

若 pnb 非空，选择一个未阻塞 pending 信号处理。

信号处理函数安全性

handler 与主程序并发执行，共享全局数据，容易产生竞争。

规则：

handler 尽量简单。
只调用 async-signal-safe 函数。
不要在 handler 中调用 printf。
共享标志使用 volatile sig_atomic_t。
访问复杂共享数据结构时阻塞相关信号。

典型 handler：

volatile sig_atomic_t flag = 0;

void handler(int sig) {
    flag = 1;
}

信号竞争与 `sigprocmask`

典型 shell 竞态：

if (fork() == 0) {
    execve(...);
}
job_count++;

风险：子进程可能在父进程 job_count++ 前终止，触发 SIGCHLD handler，handler 先修改 job list，父进程随后再添加，状态错乱。

修复思路：

fork 前阻塞 SIGCHLD。
父进程添加 job。
父进程解除阻塞。
子进程在 exec 前恢复信号屏蔽字。

模板：

sigset_t mask, prev;
sigemptyset(&mask);
sigaddset(&mask, SIGCHLD);

sigprocmask(SIG_BLOCK, &mask, &prev);
pid_t pid = fork();
if (pid == 0) {
    sigprocmask(SIG_SETMASK, &prev, NULL);
    execve(path, argv, envp);
    _exit(1);
}
addjob(pid);
sigprocmask(SIG_SETMASK, &prev, NULL);

`sigsuspend`

只用：

while (!flag) {
}

会忙等。若改成先检查 flag 再 pause()，可能出现信号在检查和 pause 之间到达，导致永久睡眠。

sigsuspend 原子地：

临时替换信号屏蔽字。
挂起进程等待信号。
handler 返回后恢复原屏蔽字。

模板：

sigset_t mask, prev, empty;
sigemptyset(&mask);
sigaddset(&mask, SIGUSR1);
sigemptyset(&empty);

sigprocmask(SIG_BLOCK, &mask, &prev);
while (!flag) {
    sigsuspend(&empty);
}
sigprocmask(SIG_SETMASK, &prev, NULL);

`setjmp` 与 `longjmp`

setjmp 保存当前执行环境，longjmp 可以跨多个调用栈帧跳回保存点。

高频判断：

它不等同于普通 return，可以非本地跳转。
不会自动清理所有资源。
滥用会破坏程序结构，尤其和资源管理、局部变量优化交织时。

本章高频错因

把异常都当成错误。系统调用也是异常的一类 trap。
认为 fork 后只有子进程继续执行。
认为 execve 创建新进程。
忘记回收子进程会产生僵尸。
认为信号会排队。同类型 pending 信号最多一个。
在 handler 中调用 printf。
用 pause 修复等待信号竞态，忽略检查和睡眠之间的窗口。

08 异常控制流、进程与信号 ​

本章知识图谱 ​

什么是 ECF ​

四类异常 ​

进程抽象 ​

用户模式与内核模式 ​

进程状态 ​

fork ​

execve ​

wait 和 waitpid ​

信号基本概念 ​

Pending 与 Blocked ​

信号处理函数安全性 ​

信号竞争与 sigprocmask ​

sigsuspend ​

setjmp 与 longjmp ​

本章高频错因 ​