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目录

1. 进程创建

1.1 为什么能返回两次？

1.2 写时拷贝

2. 进程终止

2.1 进程退出的方法

2.2 进程退出码

2.3 exit和_exit

3. 进程等待

3.1 wait和waitpid

3.2 获取子进程status

4. 进程替换

4.1 exec 族函数列表

4.2 测试用例

execl-列表参数，需带完整路径

execv-数组参数，需带完整路径

execlp-利用 PATH 搜索

execle-传递自定义环境变量

典型使用模式：fork() + exec()

1. 进程创建

在Linux中fork函数是非常重要的函数，它从已存在进程中创建一个新进程。新进程为子进程，
而原进程为父进程。

#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id，出错返回-1

1.1 为什么能返回两次？

关键在于 fork 在内核中的实现机制：

调用过程

  1. 用户态调用：父进程调用 fork，触发软中断进入内核态。

  2. 内核处理：

    • 内核创建一个新的进程描述符（task_struct），并为其分配内核栈等资源。

    • 复制父进程的内存管理结构（页表等），但暂时不复制物理页面，而是标记为“写时拷贝”（COW），以提高效率。

    • 复制父进程的寄存器上下文（包括程序计数器、栈指针等）到子进程的内核栈中。

    • 设置子进程的返回值：在子进程的内核栈或寄存器中，将 fork 的返回值设为 0。

    • 将子进程添加到调度队列中。

返回用户态

  • 当内核完成创建后，它会安排父进程和子进程先后（或同时）返回用户态。

  • 返回时，两个进程都从 fork 调用的下一条指令开始执行，但它们各自持有的返回值寄存器（如 x86 的 eax）内容不同：

    • 父进程：内核将子进程的 PID 写入父进程的返回值寄存器。

    • 子进程：内核将 0 写入子进程的返回值寄存器。

因此，虽然代码相同，但返回值不同，程序可以根据返回值判断自己是在父进程还是子进程中。

1.2 写时拷贝

一开始子进程创建出来时，其页表和父进程页表相同，此时虚拟地址相同，对应映射的物理地址也相同，指向物理内存中相同的地址

但若其中一方对某变量进行修改时，则会发生写时拷贝，即修改的那一方虚拟地址不变，但物理地址发生变化，指向一个新的地址，对应的值就为修改的值

因为有写时拷贝技术的存在，所以父子进程得以彻底分离离！完成了进程独立性的技术保证！
写时拷贝，是一种延时申请技术，可以提高整机内存的使用率

2. 进程终止

进程终止的本质是释放系统资源，就是释放进程申请的相关内核数据结构和对应的数据和代码。

进程退出场景

  • 代码运行完毕，结果正确
  • 代码运行完毕，结果不正确
  • 代码异常终止

2.1 进程退出的方法

正常终止（可以通过echo$？查看进程退出码）：

  1. 从main返回。我们所见的进程都从main函数退出，也一般从main函数退出
  2. 调用exit。调用exit函数强制进程退出
  3. _exit

异常终止

  • ctrl + c强制进程退出(信号驱使)

2.2 进程退出码

退出码（退出状态）可以告诉我们最后一次执行的命令的状态。在命令结束以后，我们可以知道命令是成功完成的还是以错误结束的。其基本思想是，程序返回退出代码0时表示执行成功，没有问题。代码1或0以外的任何代码都被视为不成功。

当进程退出时，输入echo $?查看上一个进程退出的退出码

int main()
{
	return 30;
}

再次输入查看退出码时发现是0，这是因为命令本身也是程序，再次查看退出码是命令的退出码，即0

常见退出码:

退出码 解释
0 命令成功执行
1 通用错误代码
2 命令（或参数）使用不当
126 权限被拒绝（或）无法执行
127 未找到命令，或 PATH 错误
128+n 命令被信号从外部终止，或遇到致命错误
130 通过 Ctrl+C 或 SIGINT 终止（终止代码 2 或键盘中断）
143 通过 SIGTERM 终止（默认终止）
255/* 退出码超过了 0-255 的范围，因此重新计算（LCTT 译注：超过 255 后，用退出码对 256 取模）

2.3 exit和_exit

exit和_exit函数格式相同

#include <unistd.h>
void _exit(int status);
void exit(int status);
//status是整型变量，传入退出码即可

区别在于exit是C语言的库函数，而_exit是系统调用

  • 进程如果exit()退出的时候，会进行缓冲区的刷新
  • 进程如果_exit()退出的时候，不会进行缓冲区的刷新

3. 进程等待

之前讲过，子进程退出，父进程如果不管不顾，就可能造成‘僵尸进程’的问题，进而造成内存
泄漏。另外，进程一旦变成僵尸状态，那就刀枪不入，“杀人不眨眼”的kill-9也无能为力，因为谁也
没有办法杀死一个已经死去的进程。

最后，父进程派给子进程的任务完成的如何，我们需要知道。如，子进程运行完成，结果对还是
不对，或者是否正常退出。父进程通过进程等待的方式，回收子进程资源，获取子进程退出信息

3.1 wait和waitpid

#include<sys/types.h>
#include<sys/wait.h>
pid_t wait(int* status);
返回值：
    成功返回被等待进程pid，失败返回-1。
参数：
    输出型参数，获取⼦进程退出状态,不关⼼则可以设置成为NULL


pid_t waitpid(pid_t pid,int *status,int options);
返回值：
    当正常返回的时候waitpid返回收集到的子进程的进程ID；
    如果设置了选项WNOHANG，而调用中waitpid发现没有已退出的子进程可收集，则返回o；
    如果调用中出错，则返回-1，这时errno会被设置成相应的值以指示错误所在；
参数：
    pid:
        Pid=-1，等待任一个子进程。与wait等效。
        Pid>0，等待其进程ID与pid相等的子进程。
    status：输出型参数
        WIFEXITED(status)：若为正常终止子进程返回的状态，则为真。（查看进程
        是否是正常退出)
        WEXITSTATUS(statuS)：若WIFEXITED非零，提取子进程退出码。(查看进程
        的退出码）
    options:默认为o，表示阻塞等待
    WNOHANG：若pid指定的子进程没有结束，则waitpid()函数返回o，不予以等
    待。若正常结束，则返回该子进程的ID。
  • 如果子进程已经退出，调用wait/waitpid时，wait/waitpid会立即返回，并且释放资源，获得子进程退出信息。
  • 如果在任意时刻调用wait/waitpid，子进程存在且正常运行，则进程可能阻塞。
  • 如果不存在该子进程，则立即出错返回。

3.2 获取子进程status

wait和waitpid，都有一个status参数，该参数是一个输出型参数，由操作系统填充。
如果传递NULL，表示不关心子进程的退出状态信息。

否则，操作系统会根据该参数，将子进程的退出信息反馈给父进程。

status不能简单的当作整形来看待，可以当作位图来看待，具体细节如下图（只研究status低16
比特位）

当正常终止时，前8位全部为0，退出状态在后8位

当异常终止时，你进程的退出状态就不重要了，重要的是为什么终止，因此看前8位

如同考试时，一般都是看成绩的。但当你作弊了，什么成绩之类的就已经不重要了，重要的是你作弊了

测试代码

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

int main(void)
{
	pid_t pid;
	if ((pid = fork()) == -1)
		perror("fork"), exit(1);
	if (pid == 0)
	{
		sleep(2);
		exit(10);
	}
	else
	{
		int st;
		int ret = wait(&st);
		if (ret > 0 && (st & 0X7F) == 0)
		{ // 正常退出
			printf("child exit code:%d\n", (st >> 8) & 0XFF);
		}
		else if (ret > 0)
		{ // 异常退出
			printf("sig code : %d\n", st & 0X7F);
		}
	}
}

4. 进程替换

在 Linux 系统中，进程替换（Process Replacement）是指用一个新的程序替换当前进程的代码、数据和堆栈，新程序从 main 函数开始执行，而进程 ID 保持不变。这种替换通过 exec 族函数 实现。当进程调用 exec 函数成功后，该进程中原有的内容会被完全替换（除进程 ID 外），执行流跳转到新程序的入口点，且 exec 函数调用成功后不会返回；如果调用失败，则返回 -1 并设置 errno。

4.1 exec 族函数列表

函数名 原型 特点说明
execl int execl(const char *path, const char *arg, ... /* (char *) NULL */); 参数以列表形式（l）传递，需指定程序路径（path）。
execv int execv(const char *path, char *const argv[]); 参数以数组（向量）形式（v）传递，需指定程序路径。
execle int execle(const char *path, const char *arg, ... /*, (char *) NULL, char * const envp[] */); 参数以列表形式传递，并可以指定自定义环境变量（e）。
execve int execve(const char *filename, char *const argv[], char *const envp[]); 系统调用底层实现，参数以数组形式传递，可指定自定义环境变量。
execlp int execlp(const char *file, const char *arg, ... /* (char *) NULL */); 参数以列表形式传递，通过环境变量 PATH 搜索可执行文件（p）。
execvp int execvp(const char *file, char *const argv[]); 参数以数组形式传递，通过 PATH 搜索可执行文件。
execvpe int execvpe(const char *file, char *const argv[], char *const envp[]); 参数以数组形式传递，通过 PATH 搜索可执行文件，并可指定环境变量。

命名约定：

  • l：表示参数以列表形式（arg0, arg1, ..., NULL）给出。

  • v：表示参数以向量（数组）形式（char *argv[]）给出。

  • p：表示可执行文件通过环境变量 PATH 搜索，不需提供完整路径。

  • e：表示用户可以传递自定义环境变量（envp[]），新程序不再继承原环境变量。

参数形式

  • 路径与文件名：

    • path：包含路径的可执行文件（如 "/bin/ls"）。

    • file：仅指定文件名（如 "ls"），使用 p 后缀的函数会在 PATH 中搜索。

  • 参数列表：

    • 以 arg0 开始，通常是程序名，之后依次是选项参数，最后必须以 NULL 结尾。

  • 环境变量：

    • 默认情况下，新程序继承调用进程的环境变量。

    • 使用带 e 后缀的函数时，需传递一个 char *envp[] 数组，该数组以 NULL 结尾，用于指定新程序的环境变量。

4.2 测试用例

由简入繁:

execl-列表参数，需带完整路径

#include <unistd.h>

int main()
{
	execl("/usr/bin/ls","ls","-l",NULL);
    //带l表示以列表的形式传入，同时最前面需要指定替换程序的位置(带路径)
    //这样就相当于是在命令行输入ls -l的命令
	return 0;
}

execl函数将此进程替换为了"ls -l"的命令，不再执行后面的代码，转而执行"ls -l"的代码

最后面的NULL表示已全部传入参数，到了末尾

execv-数组参数，需带完整路径

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

int main()
{
	char* argc[] = {"ls","-l",NULL};
    //v表示以数组的形式传入
	execv("/usr/bin/ls",argc);
	return 0;
}

execlp-利用 PATH 搜索

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

int main()
{
	execlp("ls","ls","-l",NULL);
    //带p自动往环境变量中设置的默认路径内查找程序
	return 0;
}

execle-传递自定义环境变量

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

int main() 
{
    char *env[] = {"MY_VAR=hello", "PATH=/usr/bin", NULL};
    execle("/bin/bash", "bash", "-c", "echo $MY_VAR", NULL, env);
    //带e表示传入自定义环境变量
    return 1;
}

典型使用模式：fork() + exec()

由于 exec 函数会替换当前进程，如果希望在原进程继续执行其他任务，通常先调用 fork() 创建一个子进程，然后在子进程中调用 exec 执行新程序，父进程可以继续原工作或等待子进程结束。

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

int main() {
    pid_t pid = fork();
    if (pid == -1) {
        perror("fork");
        return 1;
    } else if (pid == 0) {
        // 子进程
        execlp("ls", "ls", "-l", NULL);
        perror("execlp");  // 仅当 exec 失败时执行
        return 1;
    } else {
        // 父进程等待子进程结束
        wait(NULL);
        printf("Child finished\n");
    }
    return 0;
}

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