一、进程创建

在 Linux 系统编程中，进程的创建是所有并发操作的基石。

1.1 fork 函数初识

fork 是 Linux 中最重要、最经典的函数之一，它的作用是从已存在的进程中创建一个新进程 。新产生的进程称为子进程，原进程称为父进程 。

函数原型

#include <unistd.h>

pid_t fork(void);

fork 函数最神奇的地方在于一次调用，两次返回 。这对于初学者来说可能有些反直觉，但它是多进程编程的核心逻辑：

• 父进程中: 返回新创建子进程的 PID (进程标识符)。

• 子进程中: 返回 0。

• 出错时: 返回 -1。

那么为什么这样设计？

        父进程需要拿到子进程的 PID 才能对其进行管理（如等待回收、发送信号）；而子进程可以通过 getpid() 获取自己的 ID，通过 getppid() 获取父进程 ID，因此它只需要知道自己被创建成功了即可。

这个过程中内核发生了什么？

当进程调用 fork，控制权转移到内核后，内核会执行以下关键操作：

• 分配资源: 为子进程分配新的内存块和内核数据结构（PCB）。
• 拷贝数据： 将父进程的部分数据结构内容拷贝至子进程 。
• 加入列表: 将子进程添加到系统的进程列表当中 。
• 开始调度: fork 返回后，调度器开始工作，父子进程的执行顺序是不确定的，完全由调度器决定 。

演示示例：

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

int main(void)
{
    pid_t pid;

    printf("Before: pid is %d\n", getpid()); // 只有父进程执行一次

    if ((pid = fork()) == -1) {
        perror("fork()");
        exit(1);
    }

    // 从这里开始，父子进程分别执行
    printf("After: pid is %d, fork return %d\n", getpid(), pid);
    
    sleep(1);
    return 0;
}

运行结果分析: 你会发现 Before 消息只打印了一次，而 After 消息打印了两次。这是因为在 fork 之前，只有一个父进程在独立执行；fork 之后，父子两个执行流分别执行后续的代码 。

1.2 写时拷贝技术

在早期 Unix 系统中， fork 会立即把父进程的所有代码和数据完完全全复制一份给子进程，因为效率极低，所以Linux 采用了一种高效的优化技术：写时拷贝

写时拷贝原理：

• 初始状态: fork 之后，父子进程在逻辑上拥有独立的代码和数据，但在物理内存层面，它们其实共享着同一块内存区域。此时页表项权限通常被标记为“只读” 。
• 触发分离: 当父进程或子进程的任意一方试图写入数据时，CPU 检测到只读权限触发异常，操作系统介入。此时，内核才会将那一页物理内存进行拷贝，生成副本供写入者使用，并将权限改为可读写 。

1、为什么数据要进行写时拷贝？

进程具有独立性。多进程运行，需要独享各种资源，多进程运行期间互不干扰，不能让子进程的修改影响到父进程。

2、为什么不在创建子进程的时候就进行数据的拷贝？

子进程不一定会使用父进程的所有数据，并且在子进程不对数据进行写入的情况下，没有必要对数据进行拷贝，我们应该按需分配，在需要修改数据的时候再分配（延时分配），这样可以高效的使用内存空间。

3、代码会不会进行写时拷贝？

90%的情况下是不会的，但这并不代表代码不能进行写时拷贝，例如在进行进程替换的时候，则需要进行代码的写时拷贝。

1.3 fork 的常规用法

在实际开发中，fork 主要有两种使用模式：

        1.进程复制: 父进程希望复制自己，使父子进程同时执行不同的代码段。例如网络服务器，父进程等待客户端请求，生成子进程来专门处理请求 。

        2.执行新程序: 进程想执行一个完全不同的程序。通常是子进程从 fork 返回后，立即调用 exec 函数簇进行程序替换。

1.4 fork 调用失败的原因

虽然 fork 很强大，但它不是一定会成功的。主要失败原因包括：

        1. 系统资源不足: 系统中有太多的进程，达到了系统总限制 。

        2. 用户限制: 实际用户创建的进程数超过了限制（可通过 ulimit -u 查看）。

二、进程终止

在进程创建之后，它可能会执行特定的任务，最终无论是任务完成还是遇到错误，进程都需要结束。进程终止的本质是释放系统资源，包括释放进程申请的相关内核数据结构（PCB）以及对应的数据和代码 。

2.1 进程退出的三种场景

从执行结果的角度来看，进程退出只有三种情况：

• 代码运行完毕，结果正确：这是我们最期望的理想状态。

• 代码运行完毕，结果不正确：程序逻辑有问题，虽然跑通了流程，但没有得到预期的结果。

• 代码异常终止：程序在运行过程中崩溃了（例如野指针访问、除零错误），或者被外部信号强制终止（如 Ctrl+C） 。

2.2 退出码

当进程正常终止时，通过退出码来告诉父进程它的运行结果。

查看方式: 在 Linux Shell 中，可以通过 echo $? 查看上一个进程的退出码 。

列如有以下代码，

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

int main() {
    pid_t id = fork();
    printf("man 8 out\n");
    return 0;
}

运行结束时返回0，通过命令可以快速查看。

状态定义:

• 0: 表示成功 (Success) 。

• 非 0: 表示失败。不同的数字通常代表不同的错误原因，例如：

  • 1: 通用错误代码 。

  • 127: 未找到命令 (Command not found) 。
  • 126: 权限被拒绝 。
  • 130: 通过 Ctrl+C 终止 。

• 可以使用 strerror 函数获取错误码对应的字符串描述 。

2.3 进程退出的常见方法

正常终止进程主要有三种方式：

1. 从 main 函数返回: 执行 return n 等同于执行 exit(n) 。

2. 调用 exit 函数: C 标准库提供的接口。

3. 调用 _exit 函数: Linux 系统调用接口。

exit 和 _exit区别是进程控制中非常重要的一个技术细节，它们虽然都能终止进程，但底层行为有显著差异。

exit (系统调用)

• 头文件: <unistd.h>

• 原型: void _exit(int status);

• 行为: 直接使进程停止运行，清除其内存空间，销毁其在内核中的各种数据结构。它不会刷新缓冲区 。

exit (库函数)

• 头文件: <stdlib.h>

• 原型: void exit(int status);

• 行为: exit 是对 _exit 的封装。在调用 _exit 之前，它会多做一些善后工作 ：
  1. 执行用户通过 atexit 或 on_exit 定义的清理函数 。

  2. 关键差异: 关闭所有打开的流，强制冲刷（刷新）所有的缓冲数据写入文件 。

  3. 最后才调用 _exit 。

代码实例：缓冲区刷新的差异

我们通过一个具体的例子来感受两者的区别：

代码 A：使用 exit()

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

int main()
{
    printf("hello"); // 注意：没有加 \n 换行符，数据暂存在缓冲区
    exit(0);
}

运行结果:

本质是printf 的数据被保存在缓冲区中。调用 exit(0) 时，C 库函数会检测到缓冲区有数据，将其刷新（打印）到屏幕上，然后进程退出 。

代码 B：使用 _exit()

#include <stdio.h>
#include <unistd.h> // _exit 需要此头文件

int main()
{
    printf("hello"); // 数据暂存在缓冲区
    _exit(0);
}

运行结果:

结果发现程序什么也没输出就结束了。这是因为 _exit(0) 直接陷入内核关闭进程，用户空间缓冲区中的 "hello" 还没来得及被刷新就被直接丢弃了 （如果程序因为异常而终止也会发现此情况）。

所以说在日常编程中，推荐使用 return 或 exit，因为它们更安全，能保证数据的完整性，_exit通常用于不需要刷新缓冲区，或者是在 fork 后子进程执行 exec 失败需要立即退出的场景，避免刷新了父进程共享的缓冲区数据。

三、进程等待

首先是为什么要等待？

我们在第一节提到，fork 之后父子进程各自独立运行。但父进程不能管杀不管埋，必须对子进程负责到底。进程等待主要有以下三个必要性：

• 杜绝僵尸进程：如果子进程退出，父进程不管不顾，子进程的内核资源无法释放，就会变成僵尸进程，从而造成内存泄漏 。
• 无敌的僵尸：一旦进程变成僵尸状态，即使是系统管理员使用kill -9 也无法杀死它，因为你无法杀死一个已经死去的进程 。
• 获取结果：父进程派给子进程的任务完成得如何？我们需要知道。子进程是正常运行结束还是崩溃了？结果对不对？这些信息都需要通过等待来获取 。

3.1 进程等待的方法

Linux 提供了两个主要的系统调用：wait 和 waitpid。

(1) wait 方法

#include <sys/types.h>
#include <sys/wait.h>

pid_t wait(int* status);

• 功能: 等待任意一个子进程退出。
• 返回值: 成功返回被回收子进程的 PID，失败返回 -1 。
• 参数: status 是输出型参数，放到下面讲 。

(2) waitpid 方法 (更常用)

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

waitpid 提供了更精细的控制能力：

• pid 参数:

  • pid = -1: 等待任意一个子进程（等效于 wait）。

  • pid > 0: 等待进程 ID 与 pid 相等的特定子进程。

• options 参数:

  • 0: 默认行为，表示阻塞等待。

  • WNOHANG: 非阻塞等待。如果指定的子进程没有结束，函数立即返回 0，不予等待；如果结束了，则回收资源 。

• 返回值:

  • > 0: 等待成功，返回子进程 PID。

  • 0: 使用 WNOHANG 选项且子进程未退出。

  • -1: 调用出错 。

3.2 获取子进程status

在上述2个进程等待函数中，都有status参数，该参数是一个输出型参数，由操作系统进行填充。

如果对status参数传入NULL，表示不关心子进程的退出状态信息。否则，操作系统会通过该参数，将子进程的退出信息反馈给父进程。

status是一个整型变量，但status不能简单的当作整型来看待，必须把它当作“位图”来理解，status的不同比特位所代表的信息不同，具体细节如下（只研究status低16比特位）

在status的低16比特位当中，高8位表示进程的退出状态，即退出码。进程若是被信号所杀，则低7位表示终止信号，而第8位比特位是core dump标志，此时退出码（高 8 位）无意义。

如何提取退出信息？

既然是位图，我们就可以通过位操作把数据提取出来

exitCode = (status >> 8) & 0xFF; //退出码
exitSignal = status & 0x7F;      //退出信号

为此，Linux系统提供了宏

• WIFEXITED(status): 检查进程是否是正常退出。若为真，则表示没有被信号杀掉 。
• WEXITSTATUS(status): 若 WIFEXITED 为真，使用此宏提取退出码 。

exitNormal = WIFEXITED(status);  //是否正常退出
exitCode = WEXITSTATUS(status);  //获取退出码

代码示例：

int status;
pid_t ret = waitpid(id, &status, 0);

if (ret > 0) {
    if (WIFEXITED(status)) {
        // 正常退出，打印退出码
        printf("Child exit code: %d\n", WEXITSTATUS(status));
    } else {
        // 异常退出，打印信号编号 (低7位)
        printf("Child crashed by signal: %d\n", status & 0x7F);
    }
}

3.3 阻塞与非阻塞等待

阻塞等待 : 父进程调用 waitpid 后，如果子进程还没退出，父进程就会在操作系统内核中挂起（阻塞），停止运行，直到子进程退出才会被唤醒。这是默认行为，简单但父进程在等待期间什么也做不了 。

非阻塞等待 : 父进程调用 waitpid 并传入 WNOHANG 选项。

• 如果子进程没退出，函数立即返回 0。

• 父进程可以利用这个空档期去做其他任务（如日志记录、检测状态等）。

• 父进程通常需要在一个循环中不断检查（轮询），直到子进程退出 。

如下是非阻塞等待的代码模板

while (1) {
    pid_t ret = waitpid(-1, &status, WNOHANG); // 非阻塞
    if (ret == 0) {
        printf("Child is running, parent doing other things...\n");
        sleep(1); // 模拟做其他工作
    } else if (ret > 0) {
        printf("Success wait, code: %d\n", WEXITSTATUS(status));
        break; // 等待成功，退出循环
    } else {
        printf("Wait failed!\n");
        break;
    }
}

四、进程程序替换

首先，为什么要替换？

在此之前，我们通过 fork 创建的子进程，实际上执行的都是父进程代码的一部分。但在实际应用中（比如 Shell），我们需要子进程去执行一个全新的程序，比如去执行 /bin/ls 或者用户自己写的 C++ 程序。

这就需要用到进程程序替换技术。

4.1 替换原理

程序替换的本质是：调用 exec 系列函数后，操作系统会将当前进程的用户空间代码和数据完全废弃，然后从磁盘加载一个新的程序（ELF 文件）到该进程的地址空间中，并从新程序的启动例程开始执行 。

核心特性：

• PID 不变：调用 exec 并不创建新进程，所以调用前后该进程的 ID 保持不变。

• 彻底覆盖：一旦替换成功，原进程后续的代码将永远不会被执行，因为它已经被新代码覆盖。

4.2 exec 函数簇详解

Linux 提供了 6 种以 exec 开头的函数，统称为 exec 函数簇。它们的功能是一样的，只是参数传递的方式不同 。

函数原型预览

#include <unistd.h>

int execl(const char *path, const char *arg, ...);
int execlp(const char *file, const char *arg, ...);
int execle(const char *path, const char *arg, ..., char * const envp[]);
int execv(const char *path, char *const argv[]);
int execvp(const char *file, char *const argv[]);
int execve(const char *path, char *const argv[], char *const envp[]);

这些函数名看起来容易混淆，但其实是有规律的后缀组合 ：

l (list) ：列表

        参数采用列表形式逐个传入，必须以 NULL 结尾。

v (vector) ：数组

        参数被放入一个指针数组中传递（类似于 main 函数的 argv）。

p (path) ：路径

        第一个参数只需文件名，系统会自动在 PATH 环境变量中查找。

e (env)： 环境 

        需要自己组装环境变量数组传递给新进程，不使用当前环境。

常用场景对比

1. execl: 已知绝对路径，参数不多。

execl("/bin/ls", "ls", "-a", "-l", NULL);

2. execlp: 执行系统命令，不想写绝对路径。

execlp("ls", "ls", "-a", "-l", NULL); // 系统会自动在 PATH 中找 ls

3. execv: 参数动态生成，放在数组里。

char *const argv[] = {"ls", "-a", "-l", NULL};
execv("/bin/ls", argv);

4. execle: 替换后的程序可用第三个参数的环境变量表

char* myenvp[] = { "MYVAL=2021", NULL };
execle("./mycmd", "mycmd", NULL, myenvp);

5. execvp: 理解为使用 execv 也不想写路径的版本

char* myargv[] = { "ls", "-a", "-i", "-l", NULL };
execvp("ls", myargv);

6.execve: 理解为使用 execv 也想获取环境变量表的版本

char* myargv[] = { "mycmd", NULL };
char* myenvp[] = { "MYVAL=2021", NULL };
execve("./mycmd", myargv, myenvp);

4.3 返回值：只有失败，没有成功

exec 函数有一个非常独特的性质：它只有出错时的返回值，没有成功的返回值 。

• 调用成功：函数不会返回。因为代码已经被替换了，原来的 exec 下一行的代码都已经在物理内存中消失了，自然无法返回。

• 调用失败：返回 -1。说明替换没成功，原进程的代码还在，继续向下执行。

典型代码结构：

execvp("ls", argv);
// 只有 execvp 失败了，才会执行下面这行
perror("exec failed");
exit(1);

以上 exec 虽然有 6 个函数，但事实上，只有 execve 是真正的 Linux 系统调用（System Call，位于 man 手册第 2 节）。

其他 5 个函数都是 C 标准库提供的包装函数。它们最终都会调用 execve 来完成实际的工作 。