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一、进程等待

1.1 进程等待必要性

• 子进程退出后，若父进程不管不顾，可能会产生 “僵尸进程”，进而造成内存泄漏。
• 进程一旦变为僵尸状态，即使使用 kill -9 也无法将其杀死，因为无法杀死一个已死的进程。
• 父进程需要了解子进程的任务完成情况，比如子进程运行结束后结果是否正确，是否正常退出。
• 父进程通过进程等待的方式，回收子进程资源并获取其退出信息。

1.2 进程等待的方法

wait() 函数

wait() 函数用于阻塞等待子进程的结束，并回收其资源。以下是一个简单的示例代码：

#include <sys/wait.h>
#include <stdio.h>int main() {pid_t child_pid = fork();if (child_pid == 0) {// 子进程执行任务exit(42);  // 子进程退出码42} else {int status;pid_t terminated_pid = wait(&status);  // 阻塞等待if (WIFEXITED(status)) {printf("子进程 %d 退出码: %d\n", terminated_pid, WEXITSTATUS(status));}}return 0;
}

waitpid() 函数

waitpid() 函数的原型为 pid_t waitpid(pid_t pid, int *status, int options);，它可以更灵活地等待指定子进程的结束。

1.3 获取子进程 status

wait 和 waitpid 都有一个 status 参数，这是一个输出型参数，由操作系统填充。若传递 NULL，表示不关心子进程的退出状态信息；否则，操作系统会根据该参数将子进程的退出信息反馈给父进程。

status 不能简单地当作整型来看待，可将其视为位图，具体细节可参考下面的图片（只研究 status 低 16 比特位）：

状态位	说明
低8位（0-7）	子进程退出码 (正常终止时有效)
第8位（8-15）	信号编号 (被信号终止时有效)
其他标志位	通过宏检测状态类型（如WIFEXITED）

1.4 阻塞和非阻塞

核心结论

• 本质区别：

  • 阻塞（Blocking）：调用者线程暂停执行，直到操作完成（如数据到达、资源就绪）。

  • 非阻塞（Non-blocking）：调用立即返回，无论操作是否完成，需通过轮询或事件通知获取结果。

• 选择依据：

  • 阻塞：适合简单逻辑、单任务场景，代码直观但资源利用率低。

  • 非阻塞：适合高并发、实时响应需求，需配合多路复用（如epoll）或异步通知（如回调）

深度解析

运行机制对比

特性	阻塞模式	非阻塞模式
线程状态	挂起（Sleeping）	持续运行（Running）
CPU 占用	低（等待时不消耗 CPU）	高（需轮询检查状态）
响应延迟	操作完成后立即响应	需主动检测或等待通知
代码复杂度	低（线性执行）	高（需处理中间状态和错误码）

典型应用场景

以下是阻塞和非阻塞模式的典型应用代码示例：

阻塞模式示例：

#include <stdio.h>
#include <fcntl.h>int main() {int fd = open("file.txt", O_RDONLY);  char buf[1024];  read(fd, buf, sizeof(buf));  // 阻塞直到数据就绪  printf("Data: %s\n", buf);  return 0;
}

非阻塞模式示例：

#include <stdio.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <unistd.h>
#include <errno.h>
#include <string.h>#define BUFFER_SIZE 1024int main() {int sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM | SOCK_NONBLOCK, 0);  struct sockaddr_in server_addr;memset(&server_addr, 0, sizeof(server_addr));server_addr.sin_family = AF_INET;server_addr.sin_port = htons(8080);server_addr.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;connect(sockfd, (struct sockaddr *)&server_addr, sizeof(server_addr));  char data[BUFFER_SIZE] = "Hello, Server!";int len = strlen(data);while (1) {  if (send(sockfd, data, len, MSG_DONTWAIT) == -1) {  if (errno == EAGAIN) {  usleep(1000);  // 数据未就绪，短暂等待后重试  continue;  }  }  break;  }  close(sockfd);return 0;
}

二、进程程序替换

2.1 替换原理

使用 fork 创建子进程后，子进程执行的是与父进程相同的程序（但可能执行不同的代码分支）。若子进程想执行一个全新的程序，可通过进程的程序替换来实现。当进程调用一种 exec 函数时，该进程的用户空间代码和数据会完全被新程序替换，并从新程序的启动例程开始执行。调用 exec 并不会创建新进程，因此调用前后该进程的 ID 不会改变。

2.2 替换函数

函数名	参数传递方式	PATH 搜索	环境变量	典型用途
execl	参数列表（可变参数）	否	继承当前环境	已知绝对路径的固定参数调用
execv	参数数组（char *[]）	否	继承当前环境	动态构建参数的固定路径调用
execlp	参数列表	是	继承当前环境	执行 PATH 中的命令（如 Shell）
execvp	参数数组	是	继承当前环境	动态执行 PATH 中的命令
execle	参数列表	否	自定义环境变量	需严格控制环境的场景
execvpe	参数数组	是	自定义环境变量	动态参数 + 自定义环境

2.3 函数解释

这些函数如果调⽤成功则加载新的程序从启动代码开始执⾏,不再返回。

如果调⽤出错则返回-1

所以exec函数只有出错的返回值⽽没有成功的返回值

2.4 命名理解

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

以下是调用示例：

#include <unistd.h>
#include <stdio.h>int main() {char *const argv[] = {"ps", "-ef", NULL};char *const envp[] = {"PATH=/bin:/usr/bin", "TERM=console", NULL};execl("/bin/ps", "ps", "-ef", NULL);// 带 p 的，可以使用环境变量 PATH，无需写全路径execlp("ps", "ps", "-ef", NULL);// 带 e 的，需要自己组装环境变量execle("ps", "ps", "-ef", NULL, envp);execv("/bin/ps", argv);// 带 p 的，可以使用环境变量 PATH，无需写全路径execvp("ps", argv);// 带 e 的，需要自己组装环境变量execve("/bin/ps", argv, envp);// 如果 exec 调用失败，会执行到这里perror("exec 调用失败");return 1;
}