在 Linux 系统编程中，进程控制是绕不开的核心基础 —— 小到执行一条ls命令，大到开发高并发服务器，背后都离不开进程的创建、终止、等待与程序替换。今天这篇文章，我们就从最基础的概念入手，一步步拆解 Linux 进程控制的关键技术，最后再通过一个微型 Shell 的实现，把这些知识点串联起来，帮你彻底搞懂 “进程” 到底是怎么工作的。

一、进程创建：fork ()—— 给进程 “生个孩子”

要控制进程，首先得学会 “造” 进程。在 Linux 中，fork()函数就是创建新进程的 “主力军”，它的作用是从已存在的父进程中复制出一个子进程，从此父子进程各自独立运行。

1.1 fork () 的核心特性：“复制 + 分离”

先看fork()的函数原型和返回值，这是理解它的关键：

#include <unistd.h>
pid_t fork(void); // 返回值：子进程中返回0，父进程返回子进程PID，出错返回-1

一个简单的例子就能看出fork()的神奇之处：

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>

int main(void) {
    printf("Before: pid is %d\n", getpid()); // getpid()获取当前进程ID
    
    pid_t pid = fork();
    if (pid == -1) { // 出错处理
        perror("fork() failed");
        exit(1);
    }
    
    // fork()之后，父子进程都会执行下面的代码
    printf("After: pid is %d, fork return %d\n", getpid(), pid);
    sleep(1); // 防止进程提前退出，保证输出完整
    return 0;
}

运行结果如下：

Before: pid is 43676
After: pid is 43676, fork return 43677  # 父进程：返回子进程PID 43677
After: pid is 43677, fork return 0     # 子进程：返回0

为什么会这样？关键在于fork()的执行逻辑：

  • fork () 之前：只有父进程在运行，所以 “Before” 只打印一次；

  • fork () 之后：内核会给子进程分配新的内存和内核数据结构，复制父进程的代码和数据，然后把子进程加入系统进程列表 —— 从此父子进程是 “两个独立的执行流”，谁先运行由 CPU 调度器决定，没有固定顺序。

1.2 写时拷贝：父子进程的 “内存共享智慧”

你可能会问：fork () 要复制父进程的代码和数据，那如果进程很大，岂不是很浪费内存？Linux 用写时拷贝（Copy-On-Write, COW） 技术解决了这个问题。

简单说，写时拷贝的逻辑是：

  • 读的时候共享：fork () 后，父子进程的代码段（指令）和数据段（变量）默认共享物理内存，不做复制；

  • 写的时候分离：只有当父进程或子进程要修改数据（比如给变量赋值）时，内核才会为修改方复制一份数据的物理内存副本，确保双方的修改互不影响。

举个例子：父进程有个变量a=10，fork () 后子进程也能看到a=10；如果子进程把a改成20，内核会给子进程复制一份a的内存，此时父进程的a还是10，子进程的a是20—— 既保证了进程独立性，又节省了内存（没修改的数据不用复制）。

1.3 fork () 的常见用法与失败原因

常见用法：

  1. 父子分工：父进程等待客户端请求，子进程处理请求（比如 Web 服务器的多进程模型）；

  2. 执行新程序：子进程 fork () 后，通过exec函数替换成新程序（比如 Shell 执行ls命令时，就是先 fork 子进程，再 execls）。

失败原因：

  • 系统中进程数量太多，达到内核限制；

  • 普通用户的进程数超过了ulimit设置的上限。

二、进程终止：exit ()—— 给进程 “善终”

进程不是永生的，执行完任务后需要 “优雅退出”。进程终止的本质是释放资源：包括内核数据结构、物理内存、打开的文件描述符等。

2.1 进程退出的 3 种场景

  1. 正常退出，结果正确：比如echo "hello"执行完，输出正确；

  2. 正常退出，结果错误：比如1/0（除零错误），代码跑完了但结果不对；

  3. 异常终止：比如按Ctrl+C强制终止进程，或进程收到kill信号。

2.2 3 种正常退出方式：return、exit ()、_exit ()

这三种方式的核心区别在于 “是否清理资源”：

退出方式 适用场景 特点
return n 只能在 main 函数中使用 等同于exit(n)，会触发进程退出的完整流程
exit(int status) 任意函数中使用 退出前会：1. 执行atexit注册的清理函数；2. 刷新文件缓冲区；3. 调用_exit()
_exit(int status) 任意函数中使用 直接终止进程，不清理、不刷新（一般用于子进程或紧急退出）

举个例子，看exit()和_exit()的区别：

// 例子1：用exit()
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
int main() {
    printf("hello"); // 缓冲区未刷新
    exit(0); // 会刷新缓冲区，所以能打印出hello
}

// 例子2：用_exit()
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
int main() {
    printf("hello"); // 缓冲区未刷新
    _exit(0); // 不刷新缓冲区，所以不会打印hello
}

2.3 退出码：进程的 “执行报告”

进程退出时会返回一个8 位的退出码（0-255），告诉父进程 “我执行得怎么样”。我们可以通过 Shell 的$?变量查看上一个进程的退出码：

ls /tmp  # 执行成功
echo $?  # 输出0（成功的标志）

ls /nonexistent  # 执行失败（目录不存在）
echo $?  # 输出2（通用错误码）

常见的 Linux 退出码含义：

退出码 含义说明 例子
0 命令成功执行 ls找到目标目录
1 通用错误 除零错误、权限不足（非 root 用yum）
2 命令或参数使用不当 ls --invalid-option（无效选项）
126 权限被拒绝（无法执行文件） chmod 644 ./a.out后执行./a.out
127 未找到命令（PATH 路径错误） 输入lss（拼写错误）
130 进程被Ctrl+C终止（收到SIGINT信号） 运行sleep 10后按Ctrl+C
143 进程被kill终止（收到SIGTERM信号） kill 12345（12345 是进程 ID）

如果想在代码中获取退出码的描述，可以用strerror()函数：

#include <stdio.h>
#include <string.h>
int main() {
    int code = 2;
    printf("退出码%d的含义：%s\n", code, strerror(code)); 
    // 输出：退出码2的含义：No such file or directory
    return 0;
}

三、进程等待：wait ()—— 父进程 “接孩子放学”

如果子进程退出了，父进程不管不顾，子进程会变成僵尸进程（Zombie） —— 虽然代码和数据已释放，但内核数据结构还在，会占用内存，长期积累会导致内存泄漏。

进程等待的作用就是：父进程回收子进程资源，获取子进程的退出信息（退出码或终止信号）。

3.1 两种等待方式：wait () 与 waitpid ()

1. wait ()：等待任意子进程
#include <sys/types.h>
#include <sys/wait.h>

pid_t wait(int *status); 
// 返回值：成功返回被回收子进程的PID，失败返回-1
// 参数status：输出型参数，存储子进程的退出信息（不想关心就传NULL）
2. waitpid ()：更灵活的等待（推荐用）
pid_t waitpid(pid_t pid, int *status, int options);

关键参数说明：

  • pid：指定要等待的子进程（-1 表示等待任意子进程，与 wait () 等效；0 表示等待同组子进程）；

  • status：和 wait () 一样，存储退出信息；

  • options：等待方式（0 表示阻塞等待，即父进程暂停运行，直到子进程退出；WNOHANG表示非阻塞等待，即父进程继续运行，定期检查子进程是否退出）。

3.2 解析 status：获取子进程的 “退出详情”

status不是普通的整数，而是一个16 位的位图，我们需要用宏来解析它：

位图位段（低 16 位） 含义 解析宏
第 0-6 位（低 7 位） 终止信号（异常退出用） WIFSIGNALED(status)：是否被信号终止；WTERMSIG(status)：获取终止信号值
第 8-15 位（高 8 位） 退出码（正常退出用） WIFEXITED(status)：是否正常退出；WEXITSTATUS(status)：获取退出码

举个实际的例子：

#include <sys/wait.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>

int main(void) {
    pid_t pid = fork();
    if (pid == -1) { perror("fork"); exit(1); }

    if (pid == 0) { // 子进程
        sleep(20); // 让子进程运行20秒，方便测试
        exit(10);  // 正常退出，退出码10
    } else { // 父进程
        int status;
        pid_t ret = waitpid(pid, &status, 0); // 阻塞等待子进程

        if (ret > 0) {
            if (WIFEXITED(status)) { // 正常退出
                printf("子进程正常退出，退出码：%d\n", WEXITSTATUS(status));
            } else if (WIFSIGNALED(status)) { // 被信号终止
                printf("子进程被信号终止，信号值：%d\n", WTERMSIG(status));
            }
        }
    }
    return 0;
}

测试两种情况：

  1. 正常等待：等 20 秒，输出 “子进程正常退出，退出码：10”；

  2. 强制终止：在另一个终端执行kill -9 子进程PID，输出 “子进程被信号终止，信号值：9”（9 是SIGKILL信号，强制终止）。

3.3 阻塞等待 vs 非阻塞等待

  • 阻塞等待：父进程 “啥也不干，就等子进程退出”，适合简单场景（比如 Shell 执行单个命令）；

  • 非阻塞等待：父进程在等待的同时可以做其他事情（比如处理其他客户端请求），适合高并发场景。

非阻塞等待的代码示例（父进程等待时执行临时任务）：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/wait.h>
#include <unistd.h>

// 临时任务：等待时打印信息
void do_other_task() {
    printf("父进程：等待子进程的同时，做点其他事...\n");
    sleep(1); // 模拟耗时操作
}

int main() {
    pid_t pid = fork();
    if (pid < 0) { perror("fork"); exit(1); }

    if (pid == 0) { // 子进程
        printf("子进程PID：%d，将运行5秒\n", getpid());
        sleep(5);
        exit(1);
    } else { // 父进程非阻塞等待
        int status;
        pid_t ret;
        do {
            ret = waitpid(pid, &status, WNOHANG); // 非阻塞，立即返回
            if (ret == 0) { // 子进程还在运行，执行其他任务
                do_other_task();
            }
        } while (ret == 0); // 子进程没退出就循环

        // 子进程退出，解析结果
        if (WIFEXITED(status)) {
            printf("子进程退出，退出码：%d\n", WEXITSTATUS(status));
        }
    }
    return 0;
}

四、进程程序替换：exec ()—— 给进程 “换身衣服”

fork () 创建的子进程和父进程执行相同的代码，如果想让子进程执行全新的程序（比如子进程原本执行main函数，现在想执行ls命令），就需要exec函数簇来完成 “程序替换”。

4.1 程序替换的核心原理

  • 替换内容：子进程的用户空间代码和数据会被新程序完全覆盖，从新程序的 “启动例程” 开始执行；

  • 不创建新进程：替换后进程的 PID 不变，只是 “内核数据结构不变，用户空间内容全换”；

  • 替换成功不返回：如果exec执行成功，新程序会直接接管进程，不会回到原来的代码；只有替换失败时才返回 - 1。

4.2 exec 函数簇：6 个函数的区别与用法

Linux 提供了 6 个以exec开头的函数，统称exec函数簇，它们的区别在于参数格式、是否自动搜路径、是否自定义环境变量。

先看函数原型：

#include <unistd.h>

// l(list)：参数用列表，以NULL结尾
int execl(const char *path, const char *arg, ...); // 需写全路径，用当前环境变量
int execlp(const char *file, const char *arg, ...); // 自动搜PATH，用当前环境变量
int execle(const char *path, const char *arg, ..., char *const envp[]); // 需写路径，自定义环境变量

// v(vector)：参数用数组，数组最后一个元素是NULL
int execv(const char *path, char *const argv[]); // 需写全路径，用当前环境变量
int execvp(const char *file, char *const argv[]); // 自动搜PATH，用当前环境变量
int execve(const char *path, char *const argv[], char *const envp[]); // 需写路径，自定义环境变量
记忆口诀：

  • l（list）：参数是 “逐个列出” 的，比如execl("/bin/ls", "ls", "-l", NULL)；

  • v（vector）：参数是 “数组”，比如char *argv[] = {"ls", "-l", NULL}; execv("/bin/ls", argv)；

  • p（path）：自动从PATH环境变量中找程序，不用写全路径（比如execlp("ls", "ls", "-l", NULL)）；

  • e（env）：自定义环境变量，需要传一个环境变量数组（比如char *envp[] = {"PATH=/bin", NULL}; execle("/bin/ls", "ls", "-l", NULL, envp)）。

关键注意点：

  • 所有exec函数的第一个参数是 “要执行的程序路径 / 文件名”，第二个参数开始是 “程序的命令行参数”，最后必须以NULL结尾（告诉函数参数列表结束）；

  • 只有execve是系统调用，其他 5 个函数都是对execve的封装（在man 3 exec中查看）。

4.3 程序替换的实际例子

比如让子进程执行ls -l命令：

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>

int main() {
    pid_t pid = fork();
    if (pid < 0) { perror("fork"); exit(1); }

    if (pid == 0) { // 子进程替换程序
        printf("子进程将执行ls -l\n");
        // 方式1：execlp（自动搜PATH，参数列表）
        execlp("ls", "ls", "-l", NULL); 
        // 如果替换失败，才会执行下面的代码
        perror("exec failed");
        exit(1);
    } else { // 父进程等待子进程
        wait(NULL);
        printf("子进程执行完毕\n");
    }
    return 0;
}

运行后，子进程会输出ls -l的结果，然后父进程打印 “子进程执行完毕”—— 这就是 Shell 执行命令的核心逻辑！

五、综合实战：实现一个微型 Shell

学到这里，我们已经掌握了进程控制的四大核心技术（fork、exit、wait、exec）。现在，我们就用这些技术实现一个简单的 Shell，彻底理解 “平时用的 bash 是怎么工作的”。

5.1 微型 Shell 的核心逻辑

Shell 的本质是一个 “命令解释器”，循环做四件事：

  1. 打印提示符：比如[user@``localhost`` ~]# ；

  2. 获取命令：读取用户输入的命令（比如ls -l）；

  3. 解析命令：把命令拆分成 “程序名 + 参数”（比如ls -l拆成argv[0] = "ls"，argv[1] = "-l"，argv[2] = NULL）；

  4. 执行命令：fork 子进程，exec 替换成目标程序，父进程 wait 回收子进程。

另外，还有个特殊点：内建命令（比如cd、export、env）不能让子进程执行 —— 因为子进程执行cd后，父进程的当前目录不会变（进程独立），所以这些命令需要 Shell 自己执行。

5.2 微型 Shell 的完整代码

#include <iostream>
#include <cstdio>
#include <cstdlib>
#include <cstring>
#include <string>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/wait.h>
#include <ctype.h>
using namespace std;

// 全局配置：命令行缓冲区大小、参数个数上限
const int BASE_SIZE = 1024;
const int ARGV_NUM = 64;

// 全局变量：命令参数、环境变量、上一次命令的退出码、当前路径
char *g_argv[ARGV_NUM];  // 存储命令参数（如 ["ls", "-l", NULL]）
int g_argc = 0;          // 参数个数
int g_last_code = 0;     // 上一次命令的退出码
char *g_env[ARGV_NUM];   // 自定义环境变量
char g_pwd[BASE_SIZE];   // 当前工作路径

// 工具函数：去除字符串中的空格
void TrimSpace(char *&pos) {
    while (isspace(*pos)) pos++;
}

// 1. 打印命令提示符（如 [user@localhost ~]# ）
void PrintPrompt() {
    // 获取用户名、主机名、当前路径
    char *user = getenv("USER");
    char *host = getenv("HOSTNAME");
    getcwd(g_pwd, sizeof(g_pwd)); // 获取当前工作路径
    string pwd_last = g_pwd;
    // 只显示路径的最后一部分（如 /home/user 显示为 user）
    size_t pos = pwd_last.rfind("/");
    if (pos != string::npos) pwd_last = pwd_last.substr(pos + 1);

    // 格式化提示符
    char prompt[BASE_SIZE];
    snprintf(prompt, BASE_SIZE, "[%s@%s %s]# ", 
             user ? user : "None", 
             host ? host : "None", 
             pwd_last.c_str());
    printf("%s", prompt);
    fflush(stdout); // 刷新缓冲区，确保提示符立即显示
}

// 2. 获取用户输入的命令
bool GetCommand(char *buf, int size) {
    char *ret = fgets(buf, size, stdin);
    if (!ret) return false; // 读取失败（如Ctrl+D）
    
    // 去掉换行符（fgets会把回车符\n也读进来）
    buf[strlen(buf) - 1] = '\0';
    return strlen(buf) > 0; // 空命令不处理
}

// 3. 解析命令（将命令字符串拆分成参数数组）
void ParseCommand(char *buf) {
    memset(g_argv, 0, sizeof(g_argv)); // 清空参数数组
    g_argc = 0;

    char *pos = buf;
    TrimSpace(pos); // 跳过开头空格
    if (*pos == '\0') return;

    // 拆分参数（以空格为分隔符）
    g_argv[g_argc++] = pos;
    while (*pos != '\0') {
        if (isspace(*pos)) {
            *pos = '\0'; // 把空格换成'\0'，分割参数
            pos++;
            TrimSpace(pos);
            if (*pos != '\0') {
                g_argv[g_argc++] = pos;
            }
        } else {
            pos++;
        }
    }
    g_argv[g_argc] = NULL; // 最后一个参数必须是NULL
}

// 4. 执行内建命令（cd、export、env、echo）
bool ExecBuiltin() {
    // 1. 处理cd命令（切换目录）
    if (strcmp(g_argv[0], "cd") == 0) {
        if (g_argc == 2) {
            chdir(g_argv[1]); // 切换目录（Shell自己执行）
            g_last_code = 0;
        } else {
            g_last_code = 1; // 参数错误
        }
        return true;
    }

    // 2. 处理export命令（设置环境变量）
    if (strcmp(g_argv[0], "export") == 0) {
        if (g_argc == 2) {
            // 将环境变量加入g_env数组
            int i = 0;
            while (g_env[i]) i++;
            g_env[i] = strdup(g_argv[1]); // 复制字符串
            g_env[i + 1] = NULL;
            putenv(g_argv[1]); // 同步到系统环境变量
            g_last_code = 0;
        } else {
            g_last_code = 2;
        }
        return true;
    }

    // 3. 处理env命令（查看环境变量）
    if (strcmp(g_argv[0], "env") == 0) {
        char **env = g_env;
        while (*env) {
            printf("%s\n", *env);
            env++;
        }
        g_last_code = 0;
        return true;
    }

    // 4. 处理echo命令（打印内容，支持echo $?）
    if (strcmp(g_argv[0], "echo") == 0) {
        if (g_argc == 2) {
            if (g_argv[1][0] == '$' && g_argv[1][1] == '?') {
                printf("%d\n", g_last_code); // 打印上一次退出码
            } else {
                printf("%s\n", g_argv[1]); // 打印普通内容
            }
            g_last_code = 0;
        } else {
            g_last_code = 3;
        }
        return true;
    }

    return false; // 不是内建命令
}

// 5. 执行外部命令（fork子进程+exec替换）
bool ExecExternal() {
    pid_t pid = fork();
    if (pid < 0) {
        perror("fork failed");
        return false;
    }

    if (pid == 0) { // 子进程：替换程序
        execvp(g_argv[0], g_argv); // 自动搜PATH，用当前环境变量
        // 替换失败才会执行下面的代码
        perror("exec failed");
        exit(1);
    } else { // 父进程：等待子进程
        int status;
        waitpid(pid, &status, 0);
        // 更新上一次命令的退出码
        if (WIFEXITED(status)) {
            g_last_code = WEXITSTATUS(status);
        } else {
            g_last_code = 100; // 异常退出码
        }
    }
    return true;
}

// 初始化环境变量（从系统环境变量复制）
void InitEnv() {
    extern char **environ; // 系统环境变量数组
    int i = 0;
    while (environ[i]) {
        g_env[i] = strdup(environ[i]); // 复制到自定义环境变量
        i++;
    }
    g_env[i] = NULL;
}

int main() {
    InitEnv(); // 初始化环境变量
    char command_buf[BASE_SIZE]; // 存储用户输入的命令

    while (true) { // Shell主循环
        PrintPrompt();          // 1. 打印提示符
        if (!GetCommand(command_buf, BASE_SIZE)) continue; // 2. 获取命令
        ParseCommand(command_buf); // 3. 解析命令
        if (ExecBuiltin()) continue; // 4. 执行内建命令
        ExecExternal(); // 5. 执行外部命令
    }

    return 0;
}

六、总结：进程控制的核心脉络

通过这篇文章，我们从 “创建进程” 到 “实现 Shell”，完整梳理了 Linux 进程控制的技术栈：

  1. 进程创建：fork()复制父进程，写时拷贝技术节省内存；

  2. 进程终止：exit()优雅退出，_exit()紧急退出，退出码传递执行结果；

  3. 进程等待：waitpid()回收子进程，避免僵尸进程，解析退出信息；

  4. 程序替换：exec函数簇替换进程代码，实现 “执行新程序”；

  5. Shell 实现：循环 “获取命令→解析→执行”，内建命令 Shell 自己处理，外部命令 fork+exec。

进程控制是 Linux 系统编程的 “基石”，掌握这些技术后，就能看透它们的底层逻辑。建议你动手敲一遍文中的代码，亲自测试每个函数的效果 —— 实践才是理解技术的最好方式！

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