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深入解析进程管理：创建、终止、等待与程序替换

news 来源：原创 2025/5/7 12:23:58

引言

想象这样一个场景：

你的服务器需要同时处理数百个用户请求
每个请求都需要独立的安全沙箱环境
突然某个服务崩溃，但系统必须确保其他服务不受影响

这背后涉及的关键机制就是进程管理。本文将深入探讨进程的创建、终止、等待和程序替换，带你全面理解操作系统的进程管理艺术。

一、进程创建：从 fork() 到 clone()

1. fork() 系统调用

功能：创建当前进程的副本
特点：
- 子进程获得父进程地址空间的拷贝
- 写时复制（Copy-on-Write）优化性能
- 返回两次：父进程返回子进程PID，子进程返回0

示例：

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

int main() {
    pid_t pid = fork();
    if (pid == 0) {
        printf("Child process: PID=%d\n", getpid());
    } else {
        printf("Parent process: PID=%d, Child PID=%d\n", getpid(), pid);
    }
    return 0;
}

2. clone() 系统调用

功能：更灵活的进程创建方式
特点：
- 可选择共享地址空间、文件描述符等
- 常用于实现线程（如pthread库）

示例：

#define _GNU_SOURCE
#include <sched.h>
#include <stdio.h>

int child_func(void *arg) {
    printf("Child process: PID=%d\n", getpid());
    return 0;
}

int main() {
    char stack[1024 * 1024];  // 1MB stack
    pid_t pid = clone(child_func, stack + sizeof(stack), 
                  CLONE_VM | CLONE_FS | CLONE_FILES, NULL);
    printf("Parent process: PID=%d, Child PID=%d\n", getpid(), pid);
    return 0;
}

二、进程终止：优雅退出的艺术

1. 正常终止

exit()：标准库函数，执行清理后调用 _exit()
_exit()：系统调用，立即终止进程
return：从 main() 返回，相当于调用 exit()

示例：

#include <stdlib.h>
#include <stdio.h>

void cleanup() {
    printf("Cleaning up...\n");
}

int main() {
    atexit(cleanup);  // 注册退出处理函数
    printf("Main function\n");
    exit(EXIT_SUCCESS);
}

2. 异常终止

信号：如 SIGKILL（强制终止）、SIGSEGV（段错误）
abort()：生成 SIGABRT 信号终止进程

示例：

#include <signal.h>
#include <stdio.h>

void handler(int sig) {
    printf("Caught signal %d\n", sig);
    exit(1);
}

int main() {
    signal(SIGINT, handler);  // 捕获Ctrl+C
    while (1) {
        printf("Running...\n");
        sleep(1);
    }
    return 0;
}

三、进程等待：父进程的责任

1. wait() 与 waitpid()

功能：等待子进程状态改变
区别：
- wait() 等待任意子进程
- waitpid() 可指定特定子进程

示例：

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

int main() {
    pid_t pid = fork();
    if (pid == 0) {
        sleep(2);
        printf("Child exiting\n");
        exit(123);
    } else {
        int status;
        waitpid(pid, &status, 0);
        if (WIFEXITED(status)) {
            printf("Child exited with code %d\n", WEXITSTATUS(status));
        }
    }
    return 0;
}

2. 僵尸进程处理

原因：子进程终止但父进程未调用 wait()
解决方案：
- 父进程及时调用 wait()
- 使用 SIGCHLD 信号处理程序

示例：

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

void handler(int sig) {
    while (waitpid(-1, NULL, WNOHANG) > 0);
}

int main() {
    signal(SIGCHLD, handler);
    pid_t pid = fork();
    if (pid == 0) {
        printf("Child running\n");
        sleep(2);
        exit(0);
    } else {
        while (1) {
            printf("Parent running\n");
            sleep(1);
        }
    }
    return 0;
}

四、进程程序替换：exec 家族

1. exec 函数族

函数	参数传递方式	环境变量处理
`execl()`	参数列表	继承当前环境
`execv()`	参数数组	继承当前环境
`execle()`	参数列表	指定新环境
`execve()`	参数数组	指定新环境
`execlp()`	参数列表，在PATH中查找程序	继承当前环境
`execvp()`	参数数组，在PATH中查找程序	继承当前环境

示例：

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

int main() {
    printf("Before exec\n");
    execl("/bin/ls", "ls", "-l", NULL);
    perror("exec failed");  // 如果exec成功，这行不会执行
    return 1;
}

2. 综合示例：fork + exec

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

int main() {
    pid_t pid = fork();
    if (pid == 0) {
        execlp("python3", "python3", "-c", "print('Hello from Python')", NULL);
        perror("execlp failed");
        _exit(1);
    } else {
        int status;
        waitpid(pid, &status, 0);
        if (WIFEXITED(status)) {
            printf("Child exited with code %d\n", WEXITSTATUS(status));
        }
    }
    return 0;
}

五、高级话题与性能优化

1. 进程 vs 线程

特性	进程	线程
地址空间	独立	共享
创建开销	较大	较小
通信方式	IPC（管道、共享内存等）	共享变量
容错性	高（一个进程崩溃不影响其他）	低（一个线程崩溃影响整个进程）

2. 写时复制（Copy-on-Write）

原理：fork() 时不立即复制内存，仅在写入时复制
优点：大幅减少 fork() 开销
应用：
- 快速创建子进程
- 实现高效的进程快照

六、实战案例：实现一个简单的 Shell

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

#define MAX_ARGS 64

void parse_command(char *cmd, char **args) {
    int i = 0;
    args[i++] = strtok(cmd, " ");
    while ((args[i++] = strtok(NULL, " ")) ;
}

int main() {
    char cmd[256];
    char *args[MAX_ARGS];
    
    while (1) {
        printf("mysh> ");
        if (!fgets(cmd, sizeof(cmd), stdin)) break;
        cmd[strcspn(cmd, "\n")] = 0;  // 去除换行符
        
        parse_command(cmd, args);
        
        pid_t pid = fork();
        if (pid == 0) {
            execvp(args[0], args);
            perror("execvp failed");
            _exit(1);
        } else {
            int status;
            waitpid(pid, &status, 0);
            if (WIFEXITED(status)) {
                printf("Process exited with code %d\n", WEXITSTATUS(status));
            }
        }
    }
    return 0;
}