1. 进程创建

1.1 fork 函数初识

fork 是 Linux 中创建新进程的核心系统调用，原型为：

#include <unistd.h>
pid_t fork(void);

• 功能：从已存在的父进程中创建一个新的子进程，子进程是父进程的 “副本”。
• 返回值：
  • 对父进程：返回子进程的 PID（大于 0 的整数）。
  • 对子进程：返回 0。
  • 失败：返回 -1（并设置 errno）。

核心特性：

• 调用一次 fork，会返回两次（父进程和子进程各一次）。
• 子进程会复制父进程的代码段、数据段、堆、栈等内存空间，以及打开的文件描述符、信号处理方式等。
• 父子进程共享 CPU 时间片，独立运行，执行顺序由操作系统调度决定（不确定）。

1.2 写时拷贝（Copy-On-Write, COW）

fork 最初设计为 “全量复制父进程内存”，但效率极低（多数子进程会立即执行 exec 替换代码）。现代操作系统通过写时拷贝优化：

• 原理：fork 创建子进程时，不立即复制父进程的内存数据，而是让父子进程共享同一份内存页，并将这些内存页标记为 “只读”。
• 触发拷贝：当父子进程任一方向修改共享内存页时，会触发页错误：内核为修改方分配新物理页，复制原内容，更新其页表指向新页并标记为可写，实现双方修改隔离。
• 优势：
  • 减少 fork 的时间开销（无需立即复制大量内存）。
  • 节省内存资源（若子进程未修改数据，无需额外空间）。

写时拷贝是对 “空间” 和 “时间” 的双重优化，使 fork 调用更高效。

1.3 fork 常规用法

fork 主要用于创建子进程执行与父进程不同的任务，常见场景：

1. 父进程与子进程分工协作
   父进程继续处理原有任务，子进程执行新任务（如服务器进程接收请求后，fork 子进程处理具体请求，父进程继续监听）。

   pid_t pid = fork();
   if (pid == 0) {
       // 子进程：处理具体任务
       handle_request();
       exit(0);
   } else if (pid > 0) {
       // 父进程：继续监听新请求
       continue_listen();
   }
   

2. 创建子进程执行新程序
   子进程通过 exec 系列函数（如 execl、execvp）加载新程序，替换自身代码段（这是 Shell 执行命令的核心逻辑）。

   pid_t pid = fork();
   if (pid == 0) {
       // 子进程：执行新程序（如 "/bin/ls"）
       execl("/bin/ls", "ls", "-l", NULL);
       // 若 exec 失败才会执行以下代码
       perror("execl failed");
       exit(1);
   }
   

1.4 fork 调用失败的原因

fork 并非总能成功，常见失败原因：

1. 系统进程数达到上限
   操作系统对最大进程数有限制（可通过 ulimit -u 查看），若已达上限，fork 会失败。

2. 内存不足
   尽管有写时拷贝优化，但 fork 仍需为子进程分配进程描述符、页表等内核数据结构，若内存不足（或虚拟内存耗尽），会导致失败。

3. 用户进程数超限
   系统可能限制单个用户的最大进程数，若当前用户创建的进程数已达上限，fork 会失败。

失败时，fork 返回 -1 并设置 errno（如 EAGAIN 表示暂时资源不足，ENOMEM 表示内存不足），可通过 perror 打印具体错误信息。

2. 进程终止

2.1 进程退出场景

进程终止主要有以下几种常见场景：

• 正常退出：进程完成预定任务后主动退出（如程序执行到 main 函数结尾）。
• 错误退出：因无效输入、资源不足等错误主动终止（如 exit(1)）。
• 信号终止：被操作系统或其他进程发送的信号强制终止（如 kill -9 PID 发送 SIGKILL 信号）。
• 异常终止：因内存访问违规、除零等致命错误触发信号退出（如段错误 SIGSEGV）。

2.2 进程常见退出方法

2.2.1 退出码

进程退出时会返回一个整数退出码（0~255），用于表示退出状态。

• 退出码 0 表示命令成功执行；
• 退出码 1 是通用错误代码；
• 退出码 2 表示命令（或参数）使用不当；
• 退出码 126 表示权限被拒绝（或）无法执行；
• 退出码 127 表示未找到命令，或 PATH 错误；
• 退出码 128 + n 表示命令被信号从外部终止，或遇到致命错误；
• 退出码 130 表示通过 Ctrl + C 或 SIGINT 终止（终止代码 2 或键盘中断）；
• 退出码 143 表示通过 SIGTERM 终止（默认终止）；
• 退出码 255/* 表示退出码超过了 0 - 255 的范围，因此重新计算（超过 255 后，用退出码取模）。

2.2.2 _exit 函数

_exit 是系统调用，用于立即终止进程，原型：

#include <unistd.h>
void _exit(int status);

• 特点：直接终止进程，不执行清理工作（如不刷新缓冲区、不调用 atexit 注册的函数）。
• 参数 status：退出码（低 8 位有效，超出部分会被截断）。
• 用途：通常在子进程或紧急退出场景使用，确保资源快速释放。

2.2.3 exit 函数

exit 是标准库函数，封装了 _exit，原型：

#include <stdlib.h>
void exit(int status);

• 特点：终止进程前会执行清理操作：
  1. 刷新所有已打开的标准 I/O 缓冲区（如 printf 未手动刷新的内容）。
  2. 调用通过 atexit 注册的退出处理函数（按注册逆序执行）。
  3. 最终调用 _exit 完成进程终止。
• 用途：大多数场景下的正常退出，确保资源正确释放和数据完整性。

2.2.4 return 退出

在 main 函数中使用 return n 等价于 exit(n)，即：

int main() {
    return 0;  // 等价于 exit(0)
}

• 仅在 main 函数中有效，其他函数的 return 只是返回调用者，不会终止进程。
• 底层会将返回值作为退出码，触发与 exit 相同的清理流程。

总结：return（仅 main）和 exit 适用于正常退出（带清理），_exit 适用于快速退出（无清理）；退出码用于标识退出状态，供父进程判断执行结果。

3. 进程等待

3.1 进程等待的必要性

3.2 进程等待的方法

3.2.1 wait 方法

wait 是 Linux 系统中用于父进程等待子进程退出的系统调用，原型为：

#include <sys/wait.h>
pid_t wait(int *status);

• 功能：阻塞等待任意一个子进程终止，回收子进程资源（避免僵尸进程）。
• 返回值：成功返回终止的子进程 PID；失败返回 -1（如无子进程）。
• 参数 status：用于存储子进程的退出状态，若为 NULL 则不关心退出状态。

特点：

• 只能等待任意一个子进程，无法指定特定子进程。
• 阻塞式等待，若没有子进程退出，父进程会一直暂停执行。

3.2.1 waitpid 方法

waitpid 是更灵活的进程等待函数，支持指定等待的子进程和等待方式，原型为：

pid_t waitpid(pid_t pid, int *status, int options);

• 参数 pid：指定等待的子进程：

  • pid > 0：等待 PID 为 pid 的子进程。
  • pid = 0：等待与父进程同组的任意子进程。
  • pid = -1：等待任意子进程（等效于 wait）。
  • pid < -1：等待进程组 ID 为 |pid| 的任意子进程。

• 参数 options：控制等待方式：

  • 0：默认阻塞等待。
  • WNOHANG：非阻塞等待，若子进程未退出则立即返回 0。

• 返回值：

  • 成功：返回退出的子进程 PID。
  • 若 WNOHANG 生效且子进程未退出：返回 0。
  • 失败：返回 -1（如无对应子进程）。

特点：可指定子进程、支持非阻塞等待，功能比 wait 更强大。

3.2.3 获取子进程 status

status 参数用于接收子进程的退出状态，是一个整数，需通过宏解析：

• WIFEXITED(status)：若为真，表明子进程正常退出。
• WEXITSTATUS(status)：结合 WIFEXITED 使用，获取子进程的退出码（exit(n) 中的 n）。
• WIFSIGNALED(status)：若为真，表明子进程被信号终止。
• WTERMSIG(status)：结合 WIFSIGNALED 使用，获取终止子进程的信号编号。

示例：

int status;
wait(&status);
if (WIFEXITED(status)) {
    printf("子进程正常退出，退出码：%d\n", WEXITSTATUS(status));
} else if (WIFSIGNALED(status)) {
    printf("子进程被信号 %d 终止\n", WTERMSIG(status));
}

3.2.4 阻塞与非阻塞等待

• 阻塞等待：父进程暂停执行，直到子进程退出后才继续运行（wait 或 waitpid(pid, &status, 0)）。
  优点：实现简单，无需轮询；缺点：父进程在等待期间无法处理其他任务。

• 非阻塞等待：父进程发起等待后立即返回，若子进程未退出，可继续执行其他逻辑，需通过循环轮询检查（waitpid(pid, &status, WNOHANG)）。
  优点：父进程可并行处理其他任务；缺点：需手动实现轮询逻辑，可能消耗额外资源。

示例（非阻塞等待）：

pid_t pid;
int status;
while ((pid = waitpid(-1, &status, WNOHANG)) == 0) {
    // 子进程未退出，执行其他任务
    printf("等待子进程中...\n");
    sleep(1);
}
if (pid > 0) {
    printf("子进程 %d 已退出\n", pid);
}

两种方式的选择取决于业务需求：若父进程无其他任务，阻塞等待更高效；若需并发处理多任务，非阻塞等待更灵活。