2.进程控制

execvp()函数.doc

fork()函数.doc

wait()函数.doc

一、系统调用功能概述

1. fork() - 创建子进程

fork() 通过复制当前进程创建新进程。调用一次但返回两次：

• 父进程：返回新建子进程的 PID（>0）
• 子进程：返回 0
• 失败：返回 -1

子进程是父进程的副本，拥有独立的地址空间、变量副本和文件描述符。两个进程从 fork() 调用后的下一条指令开始并行执行。

2. execvp() - 执行新程序

execvp() 替换当前进程的代码、数据和栈，加载并执行指定程序：

• const char* command：要执行的命令（在 PATH 中搜索）
• char* argv[]：参数数组，必须以 NULL 结尾
• 调用成功后不返回，进程完全被新程序接管
• 失败时返回 -1

通常与 fork() 配合使用（fork-exec 模型），让子进程执行新程序而父进程继续运行。

3. wait() - 等待子进程终止

wait() 阻塞父进程直到任一子进程结束：

• int *status：存储子进程退出状态（可为 NULL）
• 返回终止子进程的 PID，失败返回 -1
• 配合宏 WIFEXITED(status) 和 WEXITSTATUS(status) 解析退出码
• 防止子进程成为僵尸进程（zombie）

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二、实验代码实现

实验(2)：创建两个子进程并发执行

代码：multi_process.c

编译链接

运行观察

parent: PID=5155 child: PID=5156, PPID=5155 child: PID=5157, PPID=5155 parent: PID=5155 child: PID=5157, PPID=5155 child: PID=5156, PPID=5155 child: PID=5157, PPID=5155 parent: PID=5155 child: PID=5156, PPID=5155 parent: PID=5155 child: PID=5156, PPID=5155 child: PID=5157, PPID=5155 ^[achild: PID=5157, PPID=5155 parent: PID=5155 child: PID=5156, PPID=5155 parent: 所有子进程已终止，父进程退出.

该实验结果就很好的说明了

进程并发执行

输出结果显示父进程（PID=5155）和两个子进程（PID=5156、5157）的输出信息交替混合出现，这说明：三个进程在同时运行，执行顺序不确定，由操作系统调度决定，体现了真正的并发执行特性。

进程家族关系

从PPID（父进程ID）可以看出：两个子进程的PPID都是5155，确认它们是同一父进程创建，形成了清晰的进程树结构：父进程→子进程1、子进程2

进程独立性

每个进程都有：独立的PID，独立的执行流，独立的输出时序，但共享相同的代码逻辑

资源隔离与共享

实验结果显示了：进程间内存空间隔离，但共享输出设备，所以输出会混合，需要同步机制来协调资源访问

进程生命周期

最后的提示"所有子进程已终止，父进程退出"说明：父进程使用wait()等待子进程结束，避免了僵尸进程的产生，体现了正确的进程回收机制。

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实验(3)：fork + execvp + wait 综合应用

需要创建两个文件：父程序和子进程要执行的新程序。

文件1：parent.c

文件2：new_program.c

编译与运行：

*# 编译两个程序* gcc new_program.c -o new_program gcc parent.c -o parent

*# 执行父程序* ./parent

结果为

new program.                        ← 子进程执行的新程序输出
Child process (pid: 5313) finished. ← 父进程检测到子进程终止
Exit status: 0                      ← 子进程正常退出（返回值 0）

说明

1. 进程隔离性：父进程 PID ≠ 子进程 PID（5313 是子进程）
2. 执行顺序不确定性：虽然这里先打印子进程输出，但不保证永远如此
3. 资源回收：wait() 成功回收子进程，避免僵尸进程
4. 状态获取：WIFEXITED() 和 WEXITSTATUS() 正确解析退出码

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三、思考题详细解答

(1) 系统调用 fork() 是如何创建进程的？

• fork() 通过复制当前进程（父进程）的代码、数据、堆栈、打开文件等资源创建一个新进程（子进程）。
• 子进程与父进程几乎完全相同，只有少数属性不同（如 PID、PPID、资源使用统计等）。
• fork() 在父进程中返回子进程的 PID，在子进程中返回 0，出错时返回 -1。

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(2) 当首次将 CPU 调度给子进程时，其入口在哪里？

• 子进程从 fork() 返回处开始执行，即 if (pid == 0) 分支。
• 因为子进程复制了父进程的整个上下文，包括程序计数器（PC），所以它从 fork() 调用后的指令继续执行。

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(3) 系统调用 execvp() 是如何更换进程的可执行代码的？

• execvp() 会加载新的可执行文件到当前进程的地址空间，替换当前的代码段、数据段、堆栈等。
• 进程的 PID 不变，但执行的程序完全更换。
• 如果 execvp() 成功，则不会返回；只有失败时才返回 -1。

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(4) 多进程并发 vs 单进程实现的主要区别

执行方式不同，实验1中，父进程和两个子进程的输出信息交替出现，说明三个进程在同时运行。而单进程只能顺序执行，所有任务必须一个一个完成。

资源独立性，实验中每个进程都有自己的计数变量和进程ID，互不干扰。一个进程的崩溃不会影响其他进程，提供了更好的稳定性。

效率表现，多进程可以同时执行多个任务，充分利用多核CPU。实验2中父进程在等待子进程执行execvp()的同时，自己可以继续工作，提高了整体效率。

系统开销，多进程需要额外的创建和切换开销，每个进程都有独立的内存空间，比单进程消耗更多系统资源。

开发复杂度，多进程需要处理进程间通信和同步问题，开发调试更复杂。单进程逻辑简单，易于实现和维护。