linux:进程详解（2）

发布于：2025-07-14 ⋅ 阅读:(18) ⋅ 点赞:(0)

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1.进程创建

1.1初识fork()函数

1.2 写时拷贝

1.3 fork常规用法

2.进程终止

2.1进程退出场景

2.2进程常见退出方法

2.2.1 退出码

2.3_exit函数

2.4 exit函数

2.5 return退出

3.进程等待

3.1进程等待必要性

3.2 进程等待的方法

3.2.1wait方法

3.2.2 waitpid 

3.2.3获取子进程status

4.进程程序替换

4.1 替换原理

4.2 替换函数

1.进程创建

1.1初识fork()函数

在Linux系统中，fork函数是一个关键的系统调用，它通过复制当前进程来创建新的子进程。调用fork后，系统会生成两个独立运行的进程：原始进程被称为父进程，新建的进程则称为子进程。

子进程返回0，父进程返回子进程ID，出错时返回-1。

当进程调用fork函数时，控制权会转移到内核中的fork执行流程。内核会执行以下操作：

  1. 为子进程分配新的内存空间和内核数据结构
  2. 将父进程的部分数据结构内容复制到子进程
  3. 将新创建的子进程添加到系统进程列表中
  4. 完成fork调用后返回，由调度器开始进行进程调度

当⼀个进程调⽤fork之后，就有两个⼆进制代码相同的进程。⽽且它们都运⾏到相同的地⽅。但每个进 程都将可以开始它们⾃⼰的旅程，看如下程序。

看到上图 进程27174打印了before，而进程27175没有打印before，这又是为什么呢？那就一起来看看下图所示吧！！

在fork操作之前，父进程独立运行；fork之后，父进程和子进程将各自执行不同的代码路径。需要注意的是，fork之后两个进程的执行顺序完全由系统调度器决定。

1.2 写时拷贝

父子代码通常共享同一数据，在双方都不写入时数据保持共享。当任意一方尝试写入时，系统会通过写时复制机制创建各自的独立副本。详见下图：

那么问题来了为什么要进行写时拷贝呢?

  1. 性能优化

    • 避免不必要的拷贝操作：在只读场景下，多个进程/线程可以共享同一份数据，无需立即创建副本
    • 延迟拷贝时机：只有当真正需要修改数据时才进行拷贝，减少即时开销
    • 典型应用：Linux的fork()系统调用创建子进程时，父子进程最初共享物理内存页

  2. 资源节约

    • 减少内存占用：共享的只读数据不需要多份拷贝
    • 降低CPU消耗：避免不必要的拷贝操作节省CPU周期
    • 示例场景：虚拟内存管理系统、数据库的快照隔离机制

注意：

得益于写时拷贝技术的实现，父子进程得以完全隔离，从而确保了进程运行的独立性。写时拷贝作为一种延迟资源分配机制，有效提升了系统内存的整体利用率。

1.3 fork常规用法

• 父进程可通过复制自身来创建子进程，实现父子并行执行不同代码段。例如，父进程持续监听客户端请求，而子进程负责处理具体请求。
• 进程可通过调用exec函数来运行新程序。例如，子进程在fork返回后调用exec替换当前程序。

注意：

fork可能会调用失败，那为什么会失败呢？

• 系统进程数量过多
• 实际用户进程数超出限制

2.进程终止

前提：

进程终止的本质在于释放系统资源，具体包括释放进程申请的内核数据结构及其对应的代码与数据。

2.1进程退出场景

• 代码执行完成，结果正确

• 代码执行完成，结果不正确

• 代码异常终止

2.2进程常见退出方法

正常终止（可通过以下方式实现）：

  1. 从 main 函数返回
  2. 调用 exit 函数
  3. 调用 _exit 函数

异常终止：

  • 通过信号终止（如 Ctrl+C）
  • 使用 echo $? 可查看进程退出码

2.2.1 退出码

退出码（或退出状态）能反映上一条命令的执行结果。命令完成后，我们可以通过它判断命令是成功执行还是出现错误。通常，程序返回0表示成功运行，而返回1或其他非零值则表明执行失败。

Linux Shell 中的常见退出状态码：

  1. 0：成功执行
  2. 1：一般性错误
  3. 2：命令用法错误
  4. 126：命令不可执行
  5. 127：命令未找到
  6. 128：无效退出参数
  7. 130：通过 Ctrl+C 终止
  8. 137：进程被强制终止 (kill -9)
  9. 255：退出状态超出范围

这些状态码是 Shell 脚本和程序执行后返回的数值，用于判断执行结果。

2.3_exit函数

1 2 3  
#include <unistd.h>  
void _exit(int status);  

参数说明：  
status - 指定进程的终止状态值，父进程可通过wait()系统调用获取该状态值

• 说明：即使status是int类型，但只有低8位会被父进程使用。因此当调用_exit(-1)时，在终端执行$?会显示返回值为255。

2.4 exit函数

函数exit最终会调用_exit，但在调用前会执行以下操作：

  1. 调用用户通过atexit或on_exit注册的清理函数
  2. 关闭所有已打开的流，确保缓冲数据全部写入
  3. 最后调用_exit完成终止

看下图，可以更好的理解：

2.5 return退出

return是一种更常见的进程退出方式。执行return n等同于执行exit(n)，因为调用main函数的运行时会将返回值作为exit的参数传递。

3.进程等待

3.1进程等待必要性

• 若子进程退出后父进程未及时处理，可能导致"僵尸进程"问题，进而引发内存泄漏
• 一旦进程进入僵尸状态，便无法被常规手段终止——即便是强制终止命令kill -9也无济于事，因为无法杀死一个已死亡的进程
• 此外，父进程需要了解子进程的任务执行情况：是否正常完成、结果是否正确、退出状态是否正常
• 通过进程等待机制，父进程可以回收子进程资源并获取其退出信息

3.2 进程等待的方法

3.2.1wait方法

3.2.2 waitpid 

基本概念

waitpid 是 Unix/Linux 系统中的一个系统调用函数，用于父进程等待子进程的状态变化。它比 wait 方法提供了更精细的控制，允许父进程等待特定的子进程，并且可以控制等待的方式。

函数原型

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

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

参数详解

  1. pid 参数：

    • pid > 0：等待进程ID等于pid的子进程

    • pid = -1：等待任意子进程，与wait等效

    • pid = 0：等待与调用进程同进程组的任何子进程

    • pid < -1：等待进程组ID等于pid绝对值的任何子进程

  2. status 参数： 这是一个指向整数的指针，用于存储子进程的退出状态。可以使用以下宏来检查状态：

    • WIFEXITED(status)：判断子进程是否正常退出

    • WEXITSTATUS(status)：获取子进程的退出码

    • WIFSIGNALED(status)：判断子进程是否被信号终止

    • WTERMSIG(status)：获取导致子进程终止的信号编号

    • WIFSTOPPED(status)：判断子进程是否被停止

    • WSTOPSIG(status)：获取导致子进程停止的信号编号

  3. options 参数：

    • WNOHANG：如果没有子进程退出，立即返回，不阻塞

    • WUNTRACED：如果子进程被停止，也返回其状态

    • WCONTINUED（Linux特有）：如果停止的子进程被继续，也返回其状态

返回值

  • 成功时返回状态已改变的子进程的PID

  • 如果指定了WNOHANG且没有子进程退出，返回0

  • 出错时返回-1，并设置errno

使用示例：

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

int main() {
    pid_t pid = fork();
    
    if (pid == 0) {  // 子进程
        printf("Child process (PID: %d) running\n", getpid());
        sleep(3);
        printf("Child process exiting\n");
        exit(42);  // 子进程退出码为42
    } else if (pid > 0) {  // 父进程
        int status;
        printf("Parent process (PID: %d) waiting for child\n", getpid());
        pid_t child_pid = waitpid(pid, &status, 0);
        
        if (WIFEXITED(status)) {
            printf("Child %d exited with status %d\n", 
                   child_pid, WEXITSTATUS(status));
        }
    } else {
        perror("fork failed");
        exit(1);
    }
    
    return 0;
}

• 调用wait/waitpid时，若子进程已退出，函数会立即返回并释放资源，同时获取子进程的退出状态信息
• 当子进程仍在正常运行的情况下调用wait/waitpid，可能导致进程阻塞
• 若指定的子进程不存在，则函数会立即返回错误

3.2.3获取子进程status

  • wait 和 waitpid 函数都有一个 status 参数，该参数属于输出型参数，由操作系统负责填充。
  • 若传入 NULL，表示父进程不关心子进程的退出状态信息。
  • 若传入有效指针，操作系统会通过该参数将子进程的退出状态信息返回给父进程。
  • 不能将 status 简单地视为整型变量，而应将其看作位图结构（具体分析时只需关注低 16 位），详情如下图所示：

4.进程程序替换

4.1 替换原理

使用fork创建子进程后，子进程会执行与父进程相同的程序（但可能运行不同的代码分支）。通常，子进程需要调用exec系列函数来执行另一个程序。当进程调用exec函数时，其用户空间的代码和数据将被新程序完全替换，并从新程序的入口点开始执行。

需要注意的是，exec调用不会创建新进程，因此在调用前后该进程的ID保持不变。

4.2 替换函数

有六种以exec开头的函数，统称为exec系列函数。

• 若函数调用成功，将加载新程序并从启动代码开始执行，不再返回原调用处。
• 若调用出错，则返回错误代码-1。
• 因此，exec系列函数仅会在出错时返回-1，成功执行时无返回值。

这些函数原型看似容易混淆，但掌握规律后就能轻松记忆：

  • l (list)：表示参数采用列表形式
  • v (vector)：参数使用数组形式
  • p (path)：自动搜索环境变量PATH
  • e (env)：表示自行维护环境变量

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

int main() {
    char *const argv[] = {"ps", "-ef", NULL};
    char *const envp[] = {"PATH=/bin:/usr/bin", "TERM=console", NULL};

    // execl: 需指定完整路径，参数列表逐个传入
    execl("/bin/ps", "ps", "-ef", NULL);

    // execlp: 使用PATH环境变量查找程序，无需完整路径
    execlp("ps", "ps", "-ef", NULL);

    // execle: 需指定完整路径，并自定义环境变量
    execle("/bin/ps", "ps", "-ef", NULL, envp);

    // execv: 需指定完整路径，参数通过数组传递
    execv("/bin/ps", argv);

    // execvp: 使用PATH环境变量查找程序，参数通过数组传递
    execvp("ps", argv);

    // execve: 需指定完整路径，参数通过数组传递，并自定义环境变量
    execve("/bin/ps", argv, envp);

    exit(0);
}

以下是一个完整的 exec 函数簇示例：

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