【计算机网络】fork()+exec()创建新进程（僵尸进程及孤儿进程）

在UNIX/Linux系统中，fork() 和 exec() 是创建和运行新进程的核心系统调用。以下是它们的详细解释和典型用法。

一、基本概念

1. fork() 系统调用

功能：创建当前进程的一个子进程，子进程是父进程的几乎完全复制（包括内存空间、文件描述符等）。
返回值：
父进程：返回子进程的进程ID（PID，正整数）。
子进程：返回0。
错误：返回-1（如内存不足或进程数达到上限）。

2. exec() 系列函数

功能：用新程序替换当前进程的内存空间、代码段和数据段，执行新程序。
常见函数：

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

区别：l 表示参数列表（list），v 表示参数数组（vector），p 表示自动搜索PATH路径，e 表示自定义环境变量。

二、典型使用场景

1. 创建子进程执行新程序

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

int main() {
    pid_t pid = fork();  // 创建子进程

    if (pid < 0) {       // 错误处理
        perror("fork failed");
        exit(EXIT_FAILURE);
    } else if (pid == 0) {  // 子进程
        // 执行新程序（如/bin/ls）
        execl("/bin/ls", "ls", "-l", NULL);
        // 如果exec返回，说明执行失败
        perror("exec failed");
        exit(EXIT_FAILURE);
    } else {  // 父进程
        int status;
        waitpid(pid, &status, 0);  // 等待子进程结束
        printf("Child process exited with status %d\n", WEXITSTATUS(status));
    }

    return 0;
}

执行流程：

父进程调用 fork() 创建子进程。
子进程调用 execl() 加载 /bin/ls 程序，替换自身代码。
父进程通过 waitpid() 等待子进程结束，并获取退出状态。

2. 父子进程执行不同代码

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

int main() {
    pid_t pid = fork();

    if (pid < 0) {
        perror("fork failed");
    } else if (pid == 0) {  // 子进程
        printf("Child process (PID=%d)\n", getpid());
        // 子进程逻辑...
    } else {  // 父进程
        printf("Parent process (PID=%d, Child PID=%d)\n", getpid(), pid);
        // 父进程逻辑...
    }

    return 0;
}

关键点： 父子进程通过 fork() 的返回值区分执行逻辑。 子进程继承父进程的文件描述符和内存状态（但后续修改互不影响）。

三、核心区别与注意事项

四、组合使用技巧

1. 重定向子进程的输入/输出

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

int main() {
    pid_t pid = fork();

    if (pid == 0) {  // 子进程
        // 重定向标准输出到文件
        int fd = open("output.txt", O_WRONLY | O_CREAT | O_TRUNC, 0644);
        dup2(fd, STDOUT_FILENO);  // 将标准输出(1)替换为文件描述符fd
        close(fd);

        // 执行ls命令，输出会写入文件而非终端
        execl("/bin/ls", "ls", "-l", NULL);
        perror("exec failed");
    } else {
        wait(NULL);  // 等待子进程结束
        printf("Output redirected to output.txt\n");
    }

    return 0;
}

2. 创建多级子进程

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

int main() {
    pid_t pid1 = fork();

    if (pid1 == 0) {  // 一级子进程
        printf("First child (PID=%d)\n", getpid());
        pid_t pid2 = fork();

        if (pid2 == 0) {  // 二级子进程
            printf("Second child (PID=%d, Parent=%d)\n", getpid(), getppid());
        } else {
            wait(NULL);  // 一级子进程等待二级子进程
        }
    } else {
        wait(NULL);  // 父进程等待一级子进程
    }

    return 0;
}

五、常见问题与解决方案

僵尸进程（Zombie Process）

问题：子进程结束后，父进程未调用 wait() 获取其退出状态，导致子进程残留进程表项。
解决方案：
父进程通过 wait() 或 waitpid() 回收子进程资源。
信号处理：捕获 SIGCHLD 信号并在处理函数中调用 wait()。

孤儿进程（Orphan Process）

问题：父进程先于子进程结束，子进程被init进程（PID=1）收养。
影响：孤儿进程仍可正常运行，但可能导致资源管理复杂化。
exec() 失败处理
原因：路径错误、权限不足、文件损坏等。
检查方法：调用 exec() 后立即检查返回值（若返回则表示失败），并通过 errno 获取具体错误码。

六、总结

fork() 用于创建新进程，父子进程并行执行相同代码（通过返回值区分逻辑）。
exec() 用于加载并执行新程序，替换当前进程的内存空间。
组合使用：先 fork() 创建子进程，再在子进程中 exec() 执行新程序，实现多任务处理。
理解这两个系统调用是掌握UNIX/Linux进程管理的基础，在开发多进程应用（如服务器、shell脚本解释器）时尤为重要。