1. 应用程序视角的操作系统

<aside> 📖 Linux 启动流程

CPU Reset → Firmware → Loader → Kernel   → 第一个程序  → 程序 (状态机) 执行 + 系统调用

</aside>

<aside> 📖 操作系统为 (所有) 程序提供 API

• 进程 (状态机) 管理
  • fork, execve, exit - 状态机的创建/改变/删除 ← 今天的主题
• 存储 (地址空间) 管理
  • mmap - 虚拟地址空间管理
• 文件 (数据对象) 管理
  • open, close, read, write - 文件访问管理
  • mkdir, link, unlink - 目录管理 </aside>

2. 状态机管理

<aside> 📖 操作系统：状态机的管理者

C 程序 = 状态机

• 初始状态：main(argc, argv)
• 程序可以直接在处理器上执行

虚拟化：操作系统在物理内存中保存多个状态机

• 通过虚拟内存实现每次 “拿出来一个执行”
• 中断后进入操作系统代码，“换一个执行” </aside>

2.1 创建状态机 fork()

如果要创建状态机，我们应该提供什么样的 API？

<aside> 📖 UNIX的答案 fork

int fork()

做一份状态机完整的复制 (内存、寄存器现场)

• 立即复制状态机 (完整的内存)
• 新创建进程返回 0
• 执行 fork 的进程返回子进程的进程号

因为状态机是复制的，因此总能找到 “父子关系”

• 因此有了进程树 (pstree) </aside>

<aside> 📖 Fork Bomb

:(){:|:&};:   # 一行版本

:() {         # 格式化一下
  : | : &
}; :

fork() {      # bash: 允许冒号作为标识符……
  fork | fork &
}; fork

</aside>

<aside> 📖 实践

for (int i = 0; i < 2; i++) {
  fork();
  printf("Hello\\n");
}

printf输出时会先输出到缓冲区，有的一行flush一次，有的达到一定大小flush一次

使用 int fflush( FILE *stream );

</aside>

2.2 替换状态机 execve()

光有 fork 还不够，怎么 “执行别的程序”？

<aside> 📖 UNIX 的答案 execve

将当前运行的状态机重置成成另一个程序的初始状态

int execve(const char *filename, char * const argv, char * const envp);

• 执行名为 filename 的程序
• 允许对新状态机设置参数 argv (v) 和环境变量 envp (e)
  • 刚好对应了 main() 的参数！ </aside>

<aside> 📖 环境变量 Environment Variable

“应用程序执行的环境”

使用 env 命令查看：

• PATH: 可执行文件搜索路径
• PWD: 当前路径
• HOME: home 目录
• DISPLAY: 图形输出
• PS1: shell 的提示符 </aside>

2.1 终止状态机 _exit()

有了 fork, execve 我们就能自由执行任何程序了，最后只缺一个销毁状态机的函数！

<aside> 📖 UNIX 的答案 _exit

立即摧毁状态机

void _exit(int status)

• 销毁当前状态机，并允许有一个返回值
• 子进程终止会通知父进程 (后续课程解释) </aside>

<aside> 📖 三种方法

• exit(0) - stdlib.h 中声明的 libc 函数
  • 会调用 atexit
• _exit(0) - glibc 的 syscall wrapper
  • 执行 “exit_group” 系统调用终止整个进程 (所有线程)
  • 不会调用 atexit
• syscall(SYS_exit, 0)
  • 执行 “exit” 系统调用终止当前线程
  • 不会调用 atexit </aside>