Linux进程控制 - 技术栈

进程控制

1. 进程创建 (fork/vfork)

1.1 fork 函数初识

fork 函数用于从一个已存在的进程（父进程）中创建一个新进程（子进程）。

函数原型 : pid_t fork(void);
返回值 :
- 子进程 : 返回 0。
- 父进程: 返回子进程的 PID (大于0)。
- 出错 : 返回 -1。
为什么有两个返回值？ : 调用 fork 后，内核会为子进程分配新的内存和内核数据结构，并将父进程的部分数据拷贝给子进程。之后，父子进程从 fork 返回处开始各自独立执行，因此会产生两个返回值。

1.2 写时拷贝 (Copy On Write)

为了提高效率，fork 创建的父子进程在初始时共享代码和数据。

机制: 只有当父子进程中任意一方试图修改数据时，操作系统才会为修改方复制一份数据副本。
优点: 这是一种延迟申请技术，避免了不必要的数据拷贝，提高了内存使用率。

1.3 fork 的常规用法

一个父进程希望复制自己，使父子进程同时执行不同的代码段（如网络服务器中，父进程等待请求，子进程处理请求）。
一个进程要执行一个不同的程序 ，子进程在 fork 返回后，立即调用 exec 函数族。

1.4 fork 调用失败的原因

系统中已经有太多的进程。
实际用户的进程数超过了系统限制。

2. 进程终止

进程终止的本质是释放系统资源，包括进程申请的内核数据结构和对应的代码数据。

2.1 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（如 Ctrl+C 信号终止）。

2.2 进程常见退出方法

正常终止

从 main 函数返回 (return)。
调用 exit 函数。
调用 _exit 函数。

异常终止

通过信号终止，如 Ctrl+C (SIGINT)。

2.3 退出码 (Exit Code)

退出码用于告知父进程或 Shell 命令的执行状态。可以通过 echo $ ? 查看。

退出码	解释
0	命令成功执行
1	通用错误
126	权限被拒绝或无法执行
127	未找到命令
128+n	命令被信号 n 终止
130	被 Ctrl+C (SIGINT, 信号2) 终止
143	被 SIGTERM (信号15) 终止

2.4 exit 与 _exit 的区别

_exit(int status) : 系统调用。直接终止进程，status 的低8位作为退出码返回给父进程。
exit(int status) : 库函数。在调用 _exit 之前，会先执行一些清理工作：
1. 执行用户通过 atexit 或 on_exit 定义的清理函数。
2. 关闭所有打开的流，并刷新缓冲区（将缓存数据写入文件）。
3. 最后调用 _exit。

示例 : printf("hello"); exit(0); 会打印 "hello"，因为 exit 会刷新缓冲区。而 printf("hello"); _exit(0); 则不会打印。

2.5 return 退出

在 main 函数中，return n 等同于 exit(n)，因为调用 main 的运行时函数会将 main 的返回值作为 exit 的参数。

3. 进程等待 (wait/waitpid)

3.1 进程等待的必要性

回收资源 : 子进程退出后，如果父进程不处理，会变成僵尸进程 (Zombie)，其 PCB 仍占用内存，造成内存泄漏。
获取状态: 父进程需要知道子进程的任务完成得如何（正常退出还是被信号杀死，退出码是多少）。
僵尸进程无法被杀死 : kill -9 对已经死去的僵尸进程无效。

3.2 进程等待的方法

wait 函数

函数原型 : pid_t wait(int* status);
功能: 阻塞等待任意一个子进程退出。
返回值: 成功返回被等待的子进程 PID，失败返回 -1。
参数 : status 是输出型参数，用于获取子进程的退出状态。若不关心可设为 NULL。

waitpid 函数

函数原型 : pid_t waitpid(pid_t pid, int *status, int options);
功能: 更灵活的等待方式。
参数 :
- pid:
  - pid = -1: 等待任一子进程，等效于 wait。
  - pid > 0: 等待指定 PID 的子进程。
- status: 输出型参数，获取退出状态。
- options:
  - 0: 阻塞等待。
  - WNOHANG: 非阻塞等待。若子进程未退出，立即返回 0。

3.3 获取子进程退出状态 (status)

status 是一个位图，不能简单看作整型。

正常终止 :
- WIFEXITED(status): 判断子进程是否正常终止。
- WEXITSTATUS(status): 若正常终止，提取其退出码。
被信号终止 :
- status 的低7位存储了终止该进程的信号编号。

3.4 阻塞与非阻塞等待

阻塞等待 : 父进程调用 wait 或 waitpid(..., 0) 后会暂停执行，直到子进程退出。
非阻塞等待 : 父进程调用 waitpid(..., WNOHANG) 后，如果子进程未退出，函数立即返回 0，父进程可以继续做其他事情（如处理其他任务），实现并发。

4. 进程程序替换 (exec 函数族)

4.1 替换原理

fork 创建的子进程默认执行与父进程相同的程序。若想让子进程执行一个全新的程序，需要调用 exec 函数族。

核心: 用磁盘上的一个新程序，完全替换掉当前进程的代码和数据段。
特点 : 不创建新进程，进程的 PID 保持不变。

4.2 exec 函数族

共有六个以 exec 开头的函数，它们最终都调用系统调用 execve。

函数名	参数格式	是否带路径	是否使用当前环境变量
`execl`	列表 (list)	否 (需全路径)	是
`execlp`	列表 (list)	是 (搜索 PATH)	是
`execle`	列表 (list)	否 (需全路径)	否 (需自己提供)
`execv`	数组 (vector)	否 (需全路径)	是
`execvp`	数组 (vector)	是 (搜索 PATH)	是
`execve`	数组 (vector)	否 (需全路径)	否 (需自己提供)

l (list) : 参数以列表形式逐个传递，最后以 NULL 结尾。
v (vector) : 参数以指针数组 char *const argv[] 的形式传递。
p (path) : 可以只提供文件名，函数会自动在 PATH 环境变量中搜索。
e (env) : 需要自己组装并传递环境变量数组 char *const envp[]。

注意 : exec 函数调用成功则不返回，直接从新程序的 main 函数开始执行。只有调用失败时才返回 -1。

5 内建命令 vs 外部命令

内建命令 (Built-in Command) : 如 cd, export。它们必须由 Shell 进程自己执行，因为它们的目的是改变 Shell 自身的状态（如工作目录、环境变量）。如果在子进程中执行，子进程的更改不会影响到父 Shell。
外部命令 : 如 ls, ps。它们是独立的可执行程序，通过 fork + exec 的方式在子进程中运行。