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引言
想象这样一个场景：
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你的服务器需要同时处理数百个用户请求
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每个请求都需要独立的安全沙箱环境
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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
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功能：创建当前进程的副本
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特点：
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子进程获得父进程地址空间的拷贝
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写时复制（Copy-on-Write）优化性能
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返回两次：父进程返回子进程PID，子进程返回0
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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
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功能：更灵活的进程创建方式
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特点：
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可选择共享地址空间、文件描述符等
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常用于实现线程（如pthread库）
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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 stackpid_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
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exit()：标准库函数，执行清理后调用 _exit()
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_exit()：系统调用，立即终止进程
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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
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信号：如 SIGKILL（强制终止）、SIGSEGV（段错误）
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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+Cwhile (1) {printf("Running...\n");sleep(1);}return 0;
}三、进程等待：父进程的责任
1. wait() 与 waitpid()
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功能：等待子进程状态改变
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区别：
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wait()等待任意子进程 -
waitpid()可指定特定子进程
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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
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原因：子进程终止但父进程未调用 wait()
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解决方案：
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父进程及时调用 wait()
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使用 SIGCHLD 信号处理程序
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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）
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原理：fork() 时不立即复制内存，仅在写入时复制
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优点：大幅减少 fork() 开销
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应用：
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快速创建子进程
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实现高效的进程快照
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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 64void 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;
}结语
通过本文的学习，你已经掌握了进程管理的核心概念和关键技术。无论是开发高性能服务器，还是编写系统工具，这些知识都将成为你的强大武器。记住，理解进程的本质不仅有助于编写更好的代码，更能深入理解操作系统的设计哲学。