進(jìn)程退出意味著進(jìn)程生命期的結(jié)束，系統(tǒng)資源被回收，進(jìn)程從操作系統(tǒng)環(huán)境中銷毀。進(jìn)程異常退出是進(jìn)程在運(yùn)行過程中被意外終止，從而導(dǎo)致進(jìn)程本來應(yīng)該繼續(xù)執(zhí)行的任務(wù)無法完成。
進(jìn)程異常退出可能給軟件用戶造成如下負(fù)面影響：
進(jìn)程異常退出是生產(chǎn)環(huán)境中經(jīng)常遇到的問題，它會(huì)給軟件用戶造成很多負(fù)面影響，所以軟件開發(fā)者應(yīng)當(dāng)避免這種問題的出現(xiàn)。但是導(dǎo)致進(jìn)程異常退出的場景和原因是多種多樣的，甚至令人琢磨不透。
本文將所有可能造成進(jìn)程異常退出的原因歸結(jié)為兩類。系統(tǒng)地將其分類，使讀者對(duì)此類問題能有清晰的認(rèn)識(shí)。對(duì)每類情況詳細(xì)論述，分析根本原因，然后分析了這兩類情況之間的聯(lián)系，也就是信號(hào)與進(jìn)程異常退出的緊密關(guān)系。希望您讀完此文后，能對(duì)此類問題有更加全面、深入的理解，對(duì)調(diào)試此類問題也能有所幫助，寫出更加可靠、更加穩(wěn)定性、更加健壯的軟件。
首先我們來看導(dǎo)致進(jìn)程異常退出的這兩類情況：
信號(hào)：
UNIX 系統(tǒng)中的信號(hào)是系統(tǒng)響應(yīng)某些狀況而產(chǎn)生的事件，是進(jìn)程間通信的一種方式。信號(hào)可以由一個(gè)進(jìn)程發(fā)送給另外進(jìn)程，也可以由核發(fā)送給進(jìn)程。
信號(hào)處理程序：
信號(hào)處理程序是進(jìn)程在接收到信號(hào)后，系統(tǒng)對(duì)信號(hào)的響應(yīng)。根據(jù)具體信號(hào)的涵義，相應(yīng)的默認(rèn)信號(hào)處理程序會(huì)采取不同的信號(hào)處理方式：
前兩種方式會(huì)導(dǎo)致進(jìn)程異常退出，是本文討論的范圍。實(shí)際上，大多數(shù)默認(rèn)信號(hào)處理程序都會(huì)終止進(jìn)程的運(yùn)行。
在進(jìn)程接收到信號(hào)后，如果進(jìn)程已經(jīng)綁定自定義的信號(hào)處理程序，進(jìn)程會(huì)在用戶態(tài)執(zhí)行自定義的信號(hào)處理程序；反之，內(nèi)核會(huì)執(zhí)行默認(rèn)信號(hào)程序終止進(jìn)程運(yùn)行，導(dǎo)致進(jìn)程異常退出。
所以，通過向進(jìn)程發(fā)送信號(hào)可以觸發(fā)默認(rèn)信號(hào)處理程序，默認(rèn)信號(hào)處理程序終止進(jìn)程運(yùn)行。在 UNIX 環(huán)境中我們有三種方式將信號(hào)發(fā)送給目標(biāo)進(jìn)程，導(dǎo)致進(jìn)程異常退出。
我們可以調(diào)用函數(shù) kill(pid_t pid, int sig) 向進(jìn)程 ID 為 pid 的進(jìn)程發(fā)送信號(hào) sig。這個(gè)函數(shù)的原型是：
#include <sys/types.h> #include <signal.h> int kill(pid_t pid, int sig);
調(diào)用函數(shù) kill() 后，進(jìn)程進(jìn)入內(nèi)核態(tài)向目標(biāo)進(jìn)程發(fā)送指定信號(hào)；目標(biāo)進(jìn)程在接收到信號(hào)后，默認(rèn)信號(hào)處理程序被調(diào)用，進(jìn)程異常退出。
/* sendSignal.c, send the signal ‘ SIGSEGV ’ to specific process*/ 1 #include <sys/types.h> 2 #include <signal.h> 3 4 int main(int argc, char* argv[]) 5 { 6 char* pid = argv[1]; 7 int PID = atoi(pid); 8 9 kill(PID, SIGSEGV); 10 return 0; 11 }上面的代碼片段演示了如何調(diào)用 kill() 函數(shù)向指定進(jìn)程發(fā)送 SIGSEGV 信號(hào)。編譯并且運(yùn)行程序：
[root@machine ~]# gcc -o sendSignal sendSignal.c [root@machine ~]# top & [1] 22055 [root@machine ~]# ./sendSignal 22055 [1]+ Stopped top [root@machine ~]# fg %1 top Segmentation fault (core dumped)
上面的操作中，我們?cè)诤笈_(tái)運(yùn)行 top，進(jìn)程 ID 是 22055，然后運(yùn)行 sendSignal 向它發(fā)送 SIGSEGV 信號(hào)，導(dǎo)致 top 進(jìn)程異常退出，產(chǎn)生 core dump 文件。
用戶可以在命令模式下運(yùn)行 kill 命令向目標(biāo)進(jìn)程發(fā)送信號(hào)，格式為：
kill SIG*** PID
在運(yùn)行 kill 命令發(fā)送信號(hào)后，目標(biāo)進(jìn)程會(huì)異常退出。這也是系統(tǒng)管理員終結(jié)某個(gè)進(jìn)程的最常用方法，類似于在 Windows 平臺(tái)通過任務(wù)管理器殺死某個(gè)進(jìn)程。
在實(shí)現(xiàn)上，kill 命令也是調(diào)用 kill 系統(tǒng)調(diào)用函數(shù)來發(fā)送信號(hào)。所以本質(zhì)上，方式一和方式二是一樣的。
操作演示如下：
[root@machine ~]# top & [1] 22810 [root@machine ~]# kill -SIGSEGV 22810 [1]+ Stopped top [root@machine ~]# fg %1 top Segmentation fault (core dumped)
用戶還可以在終端用鍵盤輸入特定的字符（比如 control-C 或 control-\）向前臺(tái)進(jìn)程發(fā)送信號(hào)，終止前臺(tái)進(jìn)程運(yùn)行。常見的中斷字符組合是，使用 control-C 發(fā)送 SIGINT 信號(hào)，使用 control-\ 發(fā)送 SIGQUIT 信號(hào)，使用 control-z 發(fā)送 SIGTSTP 信號(hào)。
在實(shí)現(xiàn)上，當(dāng)用戶輸入中斷字符組合時(shí)，比如 control-C，終端驅(qū)動(dòng)程序響應(yīng)鍵盤輸入，并且識(shí)別 control-C 是信號(hào) SIGINT 的產(chǎn)生符號(hào)，然后向前臺(tái)進(jìn)程發(fā)送 SIGINT 信號(hào)。當(dāng)前臺(tái)進(jìn)程再次被調(diào)用時(shí)就會(huì)接收到 SIGINT 信號(hào)。
使用鍵盤中斷組合符號(hào)發(fā)送信號(hào)演示如下：
[root@machine ~]# ./loop.sh ( 注釋：運(yùn)行一個(gè)前臺(tái)進(jìn)程，任務(wù)是每秒鐘打印一次字符串 ) i'm looping ... i'm looping ... i'm looping ... ( 注釋：此時(shí)，用戶輸入 control-C) [root@machine ~]# ( 注釋：接收到信號(hào)后，進(jìn)程退出 )
這類情況導(dǎo)致的進(jìn)程異常退出，并不是軟件編程錯(cuò)誤所導(dǎo)致，而是進(jìn)程外部的異步信號(hào)所致。但是我們可以在代碼編寫中做的更好，通過調(diào)用 signal 函數(shù)綁定信號(hào)處理程序來應(yīng)對(duì)信號(hào)的到來，以提高軟件的健壯性。
signal 函數(shù)的原型：
#include <signal.h> void (*signal(int sig, void (*func)(int)))(int);
signal 函數(shù)將信號(hào) sig 和自定義信號(hào)處理程序綁定，即當(dāng)進(jìn)程收到信號(hào) sig 時(shí)自定義函數(shù) func 被調(diào)用。如果我們希望軟件在運(yùn)行時(shí)屏蔽某個(gè)信號(hào)，插入下面的代碼，以達(dá)到屏蔽信號(hào) SIGINT 的效果：
(void)signal(SIGINT, SIG_IGN)；
執(zhí)行這一行代碼后，當(dāng)進(jìn)程收到信號(hào) SIGINT 后，進(jìn)程就不會(huì)異常退出，而是會(huì)忽視這個(gè)信號(hào)繼續(xù)運(yùn)行。
更重要的場景是，進(jìn)程在運(yùn)行過程中可能會(huì)創(chuàng)建一些臨時(shí)文件，我們希望進(jìn)程在清理這些文件后再退出，避免遺留垃圾文件，這種情況下我們也可以調(diào)用 signal 函數(shù)實(shí)現(xiàn)，自定義一個(gè)信號(hào)處理程序來清理臨時(shí)文件，當(dāng)外部發(fā)送信號(hào)要求進(jìn)程終止運(yùn)行時(shí)，這個(gè)自定義信號(hào)處理程序被調(diào)用做清理工作。代碼清單 2 是具體實(shí)現(xiàn)。
/* bindSignal.c */ 1 #include <signal.h> 2 #include <stdio.h> 3 #include <unistd.h> 4 void cleanTask(int sig) { 5 printf( "Got the signal, deleting the tmp file\n" ); 6 if( access( "/tmp/temp.lock", F_OK ) != -1 ) { 7 if( remove( "/tmp/temp.lock" ) != 0 ) 8 perror( "Error deleting file" ); 9 else 10 printf( "File successfully deleted\n" ); 11 } 12 13 printf( "Process existing...\n" ); 14 exit(0); 15 } 16 17 int main() { 18 (void) signal( SIGINT, cleanTask ); 19 FILE* tmp = fopen ( "/tmp/temp.lock", "w" ); 20 while(1) { 21 printf( "Process running happily\n" ); 22 sleep(1); 23 } 24 25 if( tmp ) 26 remove( "/tmp/temp.lock" ); 27 } 運(yùn)行程序： [root@machine ~]# ./bindSignal Process running happily Process running happily Process running happily ( 注釋：此時(shí)，用戶輸入 control-C) Got the signal, deleting the tmp file ( 注釋：接收到信號(hào)后，cleanTask 被調(diào)用 ) File successfully deleted ( 注釋：cleanTask 刪除臨時(shí)文件 ) Process existing... ( 注釋：進(jìn)程退出 )相比于第一類情況，第二類情況在軟件開發(fā)過程中是常客，是編程錯(cuò)誤，進(jìn)程運(yùn)行過程中非法操作引起的。
操作系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)硬件為應(yīng)用程序的運(yùn)行提供了硬件平臺(tái)和軟件支持，為應(yīng)用程序提供了平臺(tái)虛擬化，使進(jìn)程運(yùn)行在自己的進(jìn)程空間。在進(jìn)程看來，它自身獨(dú)占整臺(tái)系統(tǒng)，任何其它進(jìn)程都無法干預(yù)，也無法進(jìn)入它的進(jìn)程空間。
但是操作系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)硬件又約束每個(gè)進(jìn)程的行為，使進(jìn)程運(yùn)行在用戶態(tài)空間，控制權(quán)限，確保進(jìn)程不會(huì)破壞系統(tǒng)資源，不會(huì)干涉進(jìn)入其它進(jìn)程的空間，確保進(jìn)程合法訪問內(nèi)存。當(dāng)進(jìn)程嘗試突破禁區(qū)做非法操作時(shí)，系統(tǒng)會(huì)立刻覺察，并且終止進(jìn)程運(yùn)行。
所以，第二類情況導(dǎo)致的進(jìn)程異常退出，起源于進(jìn)程自身的編程錯(cuò)誤，錯(cuò)誤的編碼執(zhí)行非法操作，操作系統(tǒng)和硬件制止它的非法操作，并且讓進(jìn)程異常退出。
在實(shí)現(xiàn)上，操作系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)硬件通過異常和異常處理函數(shù)來阻止進(jìn)程做非法操作。
當(dāng)進(jìn)程執(zhí)行非法操作時(shí)，計(jì)算機(jī)會(huì)拋出處理器異常，系統(tǒng)執(zhí)行異常處理函數(shù)以響應(yīng)處理器異常，異常處理函數(shù)往往會(huì)終止進(jìn)程運(yùn)行。
廣義的異常包括軟中斷 (soft interrupts) 和外設(shè)中斷 (I/O interrupts) 。外設(shè)中斷是系統(tǒng)外圍設(shè)備發(fā)送給處理器的中斷，它通知處理器 I/O 操作的狀態(tài)，這種異常是外設(shè)的異步異常，與具體進(jìn)程無關(guān)，所以它們不會(huì)造成進(jìn)程的異常退出。本文討論的異常是指 soft interrupts，是進(jìn)程非法操作所導(dǎo)致的處理器異常，這類異常是進(jìn)程執(zhí)行非法操作所產(chǎn)生的同步異常，比如內(nèi)存保護(hù)異常，除 0 異常，缺頁異常等等。
處理器異常有很多種，系統(tǒng)為每個(gè)異常分配異常號(hào)，每個(gè)異常有相對(duì)應(yīng)的異常處理函數(shù)。以 x86 處理器為例，除 0 操作產(chǎn)生 DEE 異常 (Divide Error Exception)，異常號(hào)是 0；內(nèi)存非法訪問產(chǎn)生 GPF 異常 (General Protection Fault)，異常號(hào)是 13，而缺頁 (page fault) 異常的異常號(hào)是 14。當(dāng)異常出現(xiàn)時(shí)，處理器掛起當(dāng)前進(jìn)程，讀取異常號(hào)，然后執(zhí)行相應(yīng)的異常處理函數(shù)。如果異常是可修復(fù)，比如內(nèi)存缺頁異常，異常處理函數(shù)會(huì)修復(fù)系統(tǒng)錯(cuò)誤狀態(tài)，清除異常，然后重新執(zhí)行一遍被中斷的指令，進(jìn)程繼續(xù)運(yùn)行；如果異常無法修復(fù)，比如內(nèi)存非法訪問或者除 0 操作，異常處理函數(shù)會(huì)終止進(jìn)程運(yùn)行，如圖 2：
實(shí)例一：內(nèi)存非法訪問
這類問題中最常見的就是內(nèi)存非法訪問。內(nèi)存非法訪問在 UNIX 平臺(tái)即 segmentation fault，在 Windows 平臺(tái)這類錯(cuò)誤稱為 Access violation。
內(nèi)存非法訪問是指：進(jìn)程在運(yùn)行時(shí)嘗試訪問尚未分配（即，沒有將物理內(nèi)存映射進(jìn)入進(jìn)程虛擬內(nèi)存空間）的內(nèi)存，或者進(jìn)程嘗試向只讀內(nèi)存區(qū)域?qū)懭霐?shù)據(jù)。當(dāng)進(jìn)程執(zhí)行內(nèi)存非法訪問操作時(shí)，內(nèi)存管理單元 MMU 會(huì)產(chǎn)生內(nèi)存保護(hù)異常 GPF(General Protection Fault)，異常號(hào)是 13。系統(tǒng)會(huì)立刻暫停進(jìn)程的非法操作，并且跳轉(zhuǎn)到 GPF 的異常處理程序，終止進(jìn)程運(yùn)行。
這種編程錯(cuò)誤在編譯階段編譯器不會(huì)報(bào)錯(cuò)，是運(yùn)行時(shí)出現(xiàn)的錯(cuò)誤。清單 3 是內(nèi)存非法訪問的一個(gè)簡單實(shí)例，進(jìn)程在執(zhí)行第 5 行代碼時(shí)執(zhí)行非法內(nèi)存訪問，異常處理函數(shù)終止進(jìn)程運(yùn)行。
1 #include<stdio.h> 2 int main() 3 { 4 char* str = "hello"; 5 str[0] = 'H'; 6 return 0; 7 } 編譯并運(yùn)行： [root@machine ~]# gcc demoSegfault.c -o demoSegfault [root@machine ~]# ./demoSegfault Segmentation fault (core dumped) [root@machine ~]# gdb demoSegfault core.24065 ( 已省略不相干文本 ) Core was generated by `./demoSegfault'. Program terminated with signal 11, Segmentation fault.分析：實(shí)例中，字符串 str 是存儲(chǔ)在內(nèi)存只讀區(qū)的字符串常量，而第 5 行代碼嘗試更改只讀區(qū)的字符，所以這是內(nèi)存非法操作。
進(jìn)程從開始執(zhí)行到異常退出經(jīng)歷如下幾步：
實(shí)例二：除 0 操作
實(shí)例二是除 0 操作，軟件開發(fā)中也會(huì)引入這樣的錯(cuò)誤。當(dāng)進(jìn)程執(zhí)行除 0 操作時(shí)，處理器上的浮點(diǎn)單元 FPU(Floating-point unit) 會(huì)產(chǎn)生 DEE 除 0 異常 (Divide Error Exception)，異常號(hào)是 0。
1 #include <stdio.h> 2 3 int main() 4 { 5 int a = 1, b = 0, c; 6 printf( "Start running\n" ); 7 c = a/b ; 8 printf( "About to quit\n" ); 9 } 編譯并運(yùn)行： [root@machine ~]# gcc -o divide0 divide0.c [root@machine ~]# ./divide0 & [1] 1229 [root@machine ~]# Start running [1]+ Floating point exception(core dumped) ./divide0 [root@xbng103 ~]# gdb divide0 /corefiles/core.1229 ( 已省略不相干文本 ) Core was generated by `./divide0'. Program terminated with signal 8, Arithmetic exception.分析：實(shí)例中，代碼第 7 行會(huì)執(zhí)行除 0 操作，導(dǎo)致異常出現(xiàn)，異常處理程序終止進(jìn)程運(yùn)行，并且輸出錯(cuò)誤提示：Floating point exception。
異常處理函數(shù)在實(shí)現(xiàn)上，是通過向掛起進(jìn)程發(fā)送信號(hào)，進(jìn)而通過信號(hào)的默認(rèn)信號(hào)處理程序終止進(jìn)程運(yùn)行，所以異常處理函數(shù)是“間接”終止進(jìn)程運(yùn)行。詳細(xì)過程如下：
在此基礎(chǔ)上，我們可以把圖 2 進(jìn)一步細(xì)化如下：
異常處理函數(shù)執(zhí)行時(shí)會(huì)檢查異常號(hào)，然后根據(jù)異常類型發(fā)送相應(yīng)的信號(hào)。
再來看一下實(shí)例一（代碼清單 3）的運(yùn)行結(jié)果：
[root@machine ~]# ./demoSegfault Segmentation fault (core dumped) [root@machine ~]# gdb demoSegfault core.24065 ( 已省略不相干文本 ) Core was generated by `./demoSegfault'. Program terminated with signal 11, Segmentation fault.
運(yùn)行結(jié)果顯示進(jìn)程接收到信號(hào) 11 后異常退出，在 signal.h 的定義里，11 就是 SIGSEGV。MMU 產(chǎn)生內(nèi)存保護(hù)異常 GPF（異常號(hào) 13）時(shí)，異常處理程序發(fā)送相應(yīng)信號(hào) SIGSEGV，SIGSEGV 的默認(rèn)信號(hào)處理程序終止進(jìn)程運(yùn)行。
再來看實(shí)例二（代碼清單 4）的運(yùn)行結(jié)果
[root@machine ~]# ./divide0 & [1] 1229 [root@machine ~]# Start running [1]+ Floating point exception(core dumped) ./divide0 [root@xbng103 ~]# gdb divide0 /corefiles/core.1229 ( 已省略不相干文本 ) Core was generated by `./divide0'. Program terminated with signal 8, Arithmetic exception.
分析結(jié)果顯示進(jìn)程接收到信號(hào) 8 后異常退出，在 signal.h 的定義里，8 就是信號(hào) SIGFPE。除 0 操作產(chǎn)生異常（異常號(hào) 0），異常處理程序發(fā)送相應(yīng)信號(hào) SIGFPE 給掛起進(jìn)程，SIGFPE 的默認(rèn)信號(hào)處理程序終止進(jìn)程運(yùn)行。
信號(hào)與進(jìn)程異常退出有著緊密的關(guān)系：第一類情況是因?yàn)橥獠凯h(huán)境向進(jìn)程發(fā)送信號(hào)，這種情況下發(fā)送的信號(hào)是異步信號(hào)，信號(hào)的到來與進(jìn)程的運(yùn)行是異步的；第二類情況是進(jìn)程非法操作觸發(fā)處理器異常，然后異常處理函數(shù)在內(nèi)核態(tài)向進(jìn)程發(fā)送信號(hào)，這種情況下發(fā)送的信號(hào)是同步信號(hào)，信號(hào)的到來與進(jìn)程的運(yùn)行是同步的。這兩種情況都有信號(hào)產(chǎn)生，并且最終都是信號(hào)處理程序終止進(jìn)程運(yùn)行。它們的區(qū)別是信號(hào)產(chǎn)生的信號(hào)源不同，前者是外部信號(hào)源產(chǎn)生異步信號(hào)，后者是進(jìn)程自身作為信號(hào)源產(chǎn)生同步信號(hào)。
所以，信號(hào)是進(jìn)程異常退出的直接原因。當(dāng)進(jìn)程異常退出時(shí)，進(jìn)程必然接收到了信號(hào)。
軟件開發(fā)過程中，我們應(yīng)當(dāng)避免進(jìn)程異常退出，針對(duì)導(dǎo)致進(jìn)程異常退出的這兩類問題，對(duì)軟件開發(fā)者的幾點(diǎn)建議：
進(jìn)程異常退出時(shí)，操作系統(tǒng)會(huì)產(chǎn)生 core dump 文件，cored ump 文件是進(jìn)程異常退出前內(nèi)存狀態(tài)的快照，運(yùn)行 GDB 分析 core dump 文件可以幫助調(diào)試和定位問題。
1) 首先，分析 core dump 查看導(dǎo)致進(jìn)程異常退出的具體信號(hào)和退出原因。
使用 GDB 調(diào)試實(shí)例一（代碼清單 3）的分析結(jié)果如下：
[root@machine ~]# gdb demoSegfault core.24065 ( 已省略不相干文本 ) Core was generated by `./demoSegfault'. Program terminated with signal 11, Segmentation fault.
分析結(jié)果顯示，終止進(jìn)程運(yùn)行的信號(hào)是 11，SIGSEGV，原因是內(nèi)存非法訪問。
2) 然后，定位錯(cuò)誤代碼。
在 GDB 分析 core dump 時(shí)，輸入“bt”指令打印進(jìn)程退出時(shí)的代碼調(diào)用鏈，即 backtrace，就可以定位到錯(cuò)誤代碼。
用 gcc 編譯程序時(shí)加入?yún)?shù) -g 可以生成符號(hào)文件，幫助調(diào)試。
重新編譯、執(zhí)行實(shí)例一，并且分析 core dump 文件，定位錯(cuò)誤代碼：
[root@machine ~]# gcc -o demoSegfault demoSegfault.c -g [root@machine ~]# ./demoSegfault & [1] 28066 [1]+ Segmentation fault (core dumped) ./demoSegfault [root@machine ~]# gdb demoSegfault /corefiles/core.28066 ( 已省略不相干文本 ) Core was generated by `./demoSegfault'. Program terminated with signal 11, Segmentation fault. #0 0x0804835a in main () at demoSegfault.c:5 5 str[0] = 'H'; (gdb) bt #0 0x0804835a in main () at demoSegfault.c:5 (gdb)
在加了參數(shù) -g 編譯后，我們可以用 gdb 解析出更多的信息幫助我們調(diào)試。在輸入“bt”后，GDB 輸出提示錯(cuò)誤出現(xiàn)在第 5 行。
3) 最后，在定位到錯(cuò)誤代碼行后，就可以很快知道根本原因，并且修改錯(cuò)誤代碼。
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