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Linux进程与进程控制学习总结

news 来源：原创 2025/5/21 22:12:26

一、核心概念

进程定义
- 进程是程序的一次执行实例，是资源分配和调度的基本单位。
- 特性：动态性、并发性、独立性、异步性、结构性。
进程控制块（PCB）
- 操作系统通过task_struct结构体（PCB）管理进程，包含：
  - 进程标识（PID、PPID）
  - 状态信息（运行、就绪、阻塞等）
  - 资源信息（内存、打开的文件、信号量等）
进程标识
- PID（进程ID）：唯一标识进程的正整数。
- PPID（父进程ID）：创建当前进程的父进程PID。
进程状态

状态描述
运行正在占用CPU执行指令
就绪已获得除CPU外的所有资源，等待调度
阻塞因等待事件（如I/O完成）暂停执行
终止进程执行完毕或被强制终止
进程与程序的区别
- 程序：静态的代码文件（如a.out）。
- 进程：动态的程序执行实例，包含执行上下文和资源。

状态	描述
运行	正在占用CPU执行指令
就绪	已获得除CPU外的所有资源，等待调度
阻塞	因等待事件（如I/O完成）暂停执行
终止	进程执行完毕或被强制终止

二、进程结构

内存布局
- 代码段：存储可执行指令。
- 数据段：存储全局变量和静态变量。
- 堆段：动态分配的内存（如malloc）。
- 栈段：存储局部变量和函数调用信息。
进程模式
- 用户模式：执行用户程序，权限受限。
- 内核模式：执行系统调用或中断处理，可操作特权指令。

三、进程操作函数

1. 创建进程（`fork`）

#include <unistd.h>
pid_t fork(void);  // 返回值：子进程返回0，父进程返回子进程PID，失败返回-1

示例：创建子进程并区分父子进程逻辑

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

int main() {
    pid_t pid = fork();
    if (pid == 0) {
        printf("子进程PID: %d\n", getpid());  // 子进程逻辑
    } else if (pid > 0) {
        printf("父进程PID: %d, 子进程PID: %d\n", getpid(), pid);  // 父进程逻辑
    } else {
        perror("fork失败");
    }
    return 0;
}

输出：

父进程PID: 1234, 子进程PID: 1235
子进程PID: 1235

2. 进程退出（`exit` vs `_exit`）

exit：清理缓冲区后退出（如刷新stdio流）。
_exit：直接终止进程，不清理缓冲区。

#include <stdlib.h>
void exit(int status);        // 标准退出函数
#include <unistd.h>
void _exit(int status);       // 直接终止进程

3. 进程替换（`exec`函数族）

#include <unistd.h>
int execl(const char *path, const char *arg, ... /* NULL */);  // 路径+参数列表
int execv(const char *path, char *const argv[]);               // 路径+参数数组
int execlp(const char *file, const char *arg, ...);            // 文件名+自动搜索PATH

示例：使用execlp执行ls命令

#include <unistd.h>

int main() {
    execlp("ls", "ls", "-l", NULL);  // 替换当前进程为ls -l
    perror("exec失败");              // 若exec失败才会执行
    return 1;
}

4. 进程等待（`wait`）

#include <sys/wait.h>
pid_t wait(int *status);  // 等待任意子进程结束，返回子进程PID

示例：父进程等待子进程结束

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

int main() {
    pid_t pid = fork();
    if (pid == 0) {
        printf("子进程运行\n");
        sleep(2);
        _exit(0);
    } else {
        wait(NULL);  // 阻塞等待子进程结束
        printf("子进程已终止\n");
    }
    return 0;
}

输出：

子进程运行
（2秒后）
子进程已终止

四、综合例题

题目：使用fork和exec实现一个简单的Shell，执行用户输入的命令。

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

int main() {
    char command[256];
    while (1) {
        printf("> ");
        fgets(command, sizeof(command), stdin);
        command[strcspn(command, "\n")] = '\0';  // 去除换行符

        pid_t pid = fork();
        if (pid == 0) {  // 子进程执行命令
            execlp(command, command, NULL);
            perror("命令执行失败");
            _exit(1);
        } else if (pid > 0) {  // 父进程等待子进程结束
            wait(NULL);
        } else {
            perror("fork失败");
        }
    }
    return 0;
}

输出示例：

> ls
file1.txt  file2.txt
> pwd
/home/user

五、常见问题

fork后的执行顺序：父子进程执行顺序由调度器决定，无法预知。
僵尸进程：子进程终止后未被父进程wait回收，需通过信号处理或显式回收避免。
exec函数族的选择：
- execlp/execvp：自动搜索PATH环境变量。
- execle/execve：可指定自定义环境变量。