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Linux 进程创建与控制详解

news 2025/9/30 9:49:08

1. 什么是进程？—— 深入理解进程模型

a. 唯一的进程ID (PID)

b. 独立的虚拟地址空间

c. 进程控制块 (PCB - Process Control Block)

d. 文件描述符表

2. 经典的 fork() - exec() - wait() 模式

a. fork(): 克隆一个新进程

b. exec() 家族: 变身为一个新程序

c. wait() 和 waitpid(): 为子进程“收尸”

3. 进程的终止: exit() 和 _exit()

总结

1. 什么是进程？—— 深入理解进程模型

在 Linux 中，一个进程（Process）并不仅仅是“一个正在运行的程序”，它是一个更为丰富和具体的概念。操作系统为了管理和隔离这些运行中的程序，为每一个进程都创建了一个完整、独立的运行环境。这个环境主要由以下几个部分构成：

a. 唯一的进程ID (PID)

每个进程都有一个独一无二的非负整数标识符，称为 PID。同时，每个进程（除了系统启动的第一个进程 init）都有一个父进程，其 PID 被称为 PPID (Parent Process ID)。这个父子关系构成了系统中的进程树。

b. 独立的虚拟地址空间

这是进程隔离的核心机制。每个进程都“认为”自己独占了整个系统的内存。这个地址空间通常被划分为几个区域：

文本段 (.text): 存放程序的可执行代码，只读。
数据段 (.data): 存放已初始化的全局变量和静态变量。
BSS 段 (.bss): 存放未初始化或初始化为零的全局变量和静态变量。
堆 (Heap): 用于动态内存分配（例如，通过 malloc()），从低地址向高地址增长。
栈 (Stack): 存放局部变量、函数参数和返回地址，从高地址向低地址增长。

由于每个进程都有自己的虚拟地址空间，一个进程的内存操作（如指针访问）无法直接影响到另一个进程，从而保证了系统的稳定性。

c. 进程控制块 (PCB - Process Control Block)

这是操作系统内核中用于描述和管理进程的一个数据结构（在 Linux 中是 task_struct）。它包含了关于进程的所有关键信息，可以看作是进程的“身份证”：

进程状态（运行、睡眠、僵尸等）
PID 和 PPID
CPU 寄存器的值（如程序计数器、栈指针）
虚拟内存映射信息
文件描述符表
用户和组 ID

当内核需要进行进程切换时，它会保存当前进程的 PCB 信息，并加载下一个要运行进程的 PCB 信息。

d. 文件描述符表

每个进程都有一张表，用于记录它打开的文件。表中的每一项是一个整数（文件描述符），指向一个内核中代表打开文件的对象。这张表的前三项通常被预留给：

0: 标准输入 (stdin)
1: 标准输出 (stdout)
2: 标准错误 (stderr)

2. 经典的 `fork()` - `exec()` - `wait()` 模式

这是 UNIX/Linux 系统中创建和管理新任务的基石。几乎所有的程序启动，包括你在 Shell 中执行的每一条命令，都遵循这个模式。

a. `fork()`: 克隆一个新进程

fork() 是一个非常独特的系统调用，它的作用是创建一个新进程（子进程），这个子进程几乎是调用 fork() 的进程（父进程）的完整副本。

返回值是关键：fork() 被调用一次，但会返回两次。
- 在父进程中，fork() 返回新创建的子进程的 PID。
- 在子进程中，fork() 返回 0。
- 如果创建失败，fork() 在父进程中返回 -1。通过检查返回值，程序可以确定当前代码是在父进程中执行还是在子进程中执行。
写时复制 (Copy-on-Write, COW)：fork() 之后，内核并不会立即复制父进程的整个物理内存空间给子进程，因为这非常低效。相反，父子进程暂时共享相同的物理内存页。只有当其中一个进程尝试写入某个内存页时，内核才会为该进程复制那个页，让它拥有自己的副本。这种优化策略使得 fork() 的执行速度非常快。
继承了什么？：子进程继承了父进程的虚拟地址空间、文件描述符表、用户和组 ID 等大部分内容。但 PID、PPID 和某些资源（如内存锁）是独有的。

【代码示例：fork() 的使用】

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/wait.h> // 引入 wait() 所需的头文件int main() {pid_t pid = fork();if (pid < 0) {// fork 失败fprintf(stderr, "Fork Failed\n");return 1;} else if (pid == 0) {// 这里是子进程的代码printf("I am the child process.\n");printf("My PID is %d, my parent's PID is %d.\n", getpid(), getppid());printf("Child process is finishing.\n");} else {// 这里是父进程的代码printf("I am the parent process.\n");printf("My PID is %d, I created a child with PID %d.\n", getpid(), pid);// 等待子进程结束，进行回收，防止产生僵尸进程wait(NULL); printf("Parent process finished waiting and is finishing.\n");}return 0;
}

b. `exec()` 家族: 变身为一个新程序

fork() 只是创建了父进程的一个副本，如果想让子进程执行一个全新的程序（比如 /bin/ls），就需要 exec() 函数族。

核心作用：exec() 会用一个全新的程序镜像替换当前进程的内存空间（包括代码、数据和堆栈）。一旦调用成功，原有的程序代码就完全被覆盖了，exec() 调用之后的代码将永远不会被执行。
没有新进程：exec() 不会创建新进程。它只是在当前进程（通常是 fork() 出来的子进程）的上下文中加载并运行一个新程序。进程的 PID 保持不变。
函数族：exec() 有多个变体，命名规则可以帮助区分它们：
- l (execl, execlp): 参数以列表（list）形式逐个列出，以 NULL 结尾。
- v (execv, execvp): 参数以字符串指针数组（vector）形式传递。
- p (execlp, execvp): 会在系统的 PATH 环境变量指定的目录中搜索要执行的程序。
- e (execle, execve): 允许你手动传入一个环境变量数组。

【代码示例：结合 fork() 和 execvp()】

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/wait.h>int main() {pid_t pid = fork();if (pid < 0) {fprintf(stderr, "Fork Failed\n");return 1;} else if (pid == 0) {// 子进程printf("Child process is about to run 'ls -l'.\n");char *args[] = {"ls", "-l", NULL}; // execvp 的参数数组execvp(args[0], args);// 如果 execvp 成功，下面的代码永远不会执行perror("execvp failed"); // 如果 execvp 失败，它会返回，我们可以打印错误exit(1);} else {// 父进程printf("Parent process is waiting for the child to complete.\n");wait(NULL); // 等待子进程结束printf("Child process has finished.\n");}return 0;
}

c. `wait()` 和 `waitpid()`: 为子进程“收尸”

进程管理中一个重要环节是资源回收。

僵尸进程 (Zombie Process)：如果一个子进程已经终止，但其父进程还没有调用 wait() 或 waitpid() 来获取它的终止状态，那么这个子进程的进程控制块（PCB）会一直保留在内核中。这个已经死亡但 PCB 仍存在的进程就被称为“僵尸进程”。它不占用内存，但会占用一个 PID，如果大量出现会耗尽系统的 PID 资源。
wait():
- 阻塞父进程，直到它的任何一个子进程终止。
- 返回终止的子进程的 PID。
- 通过一个整数指针参数，可以获取子进程的退出状态。
waitpid():
- 功能更强大，是 wait() 的超集。
- 可以等待一个指定的子进程。
- 可以通过选项参数（如 WNOHANG）实现非阻塞等待。

通过调用 wait() 或 waitpid()，父进程完成了对子进程的“收尸”（reaping），内核可以安全地释放子进程的 PCB，从而避免了僵尸进程的产生。

3. 进程的终止: `exit()` 和 `_exit()`

一个进程可以通过多种方式终止，最常见的是调用 exit() 函数。

退出状态码：每个进程终止时都会向其父进程返回一个 0 到 255 之间的整数，称为退出状态码。按照惯例，0 表示成功，非 0 表示发生了某种错误。父进程通过 wait() 可以获取这个状态码。
exit() vs _exit():
- exit() 是 C 标准库函数。在终止进程前，它会执行一系列清理工作：
  1. 调用 atexit() 注册的函数。
  2. 刷新并关闭所有标准 I/O 库的流 (stream)（比如 stdout 的缓冲区）。
  3. 最后调用 _exit() 系统调用来终止进程。
- _exit() 是一个系统调用。它会立即终止进程，不会进行任何清理工作。

为什么需要 _exit()? 在 fork() 之后，子进程中通常建议使用 _exit() 而不是 exit()。因为子进程复制了父进程的 I/O 缓冲区，如果调用 exit()，父子进程可能会重复刷新和关闭相同的流，导致不可预料的行为。而在 exec() 之后，由于整个内存空间都被替换了，这个问题就不存在了。