1. 进程创建
1.1 fork()函数
fork() 函数创建一个新进程，新进程是调用它的父进程的副本。系统在内部为子进程分配一个新的进程 ID（PID），但子进程的内存和父进程的内存空间是分开的。调用 fork() 时，父进程和子进程的代码从 fork() 函数返回的地方开始分别执行
- 作用:
fork()是用于创建新进程的系统调用，新进程称为子进程，复制父进程的地址空间。 - 返回值:
- 父进程：返回子进程的 PID。
- 子进程：返回 0。
- 错误：返回 -1。
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>int main() {pid_t pid = fork();if (pid == 0) {printf("Child process: pid=%d, ppid=%d\n", getpid(), getppid());} else if (pid > 0) {printf("Parent process: pid=%d, child_pid=%d\n", getpid(), pid);} else {perror("fork failed");}return 0;
}
fork创建子进程有两种用法
（1）通过if/else父子分流，各自执行代码的一部分
（2）执行全新的程序
fork() 创建失败：
（1）内存空间不足
（2）实际用户进程数超过了限制
1.2 写时拷贝
fork() 只会在父进程和子进程修改内存时才进行内存拷贝。具体来说：
- 父进程和子进程在
fork()后共享相同的内存页，直到有一个进程试图修改内存。 - 当某一进程尝试修改内存时，操作系统会为该进程分配一个新的内存页（即拷贝），从而确保父子进程不会互相影响。
这种机制可以显著提高性能，尤其是在创建大量进程时。它避免了不必要的内存复制，只有在进程修改数据时才会进行实际的拷贝。
为什么要有写时拷贝？
- 减少创建子进程的时间
- 减少内存浪费
2. 进程终止
在 Linux 系统中，进程的生命周期从创建到终止是一个完整的过程。进程终止时，操作系统会进行资源回收，释放进程占用的内存、文件描述符等资源。进程可以通过多种方式终止，常见的退出方法包括 main 函数的 return、exit函数等。
进程终止的本质是释放系统资源，就是释放进程申请的相关内核数据结构和对应的数据和代码。
2.1 进程常见退出方法
2.1.1 main函数return
在 C 语言程序中，main 函数是程序的入口点。当程序执行到 main 函数的最后，main 函数的 return 语句会导致进程的终止。
main函数的返回值通常表明程序的执行情况。
在 main 函数中使用 return 时，实际上是调用了 exit(0) 或 exit 的其他变体，因此 return 和 exit 具有相同的效果
- 通常，return 0; 表示程序成功结束。
- 非零返回值通常表示程序异常终止或错误退出，具体的值由程序员定义。
2.1.2 exit
exit 是标准库函数，专门用于终止程序并返回退出状态给操作系统。无论exit（）被调用的位置在哪里，都会导致程序的终止，且会清理资源（如关闭文件、释放内存等）。
函数原型：
void exit(int status);
status: 退出状态码，通常用 0 表示成功，非零表示出错。- 在调用
exit后，程序会立即终止，不会再执行任何后续代码。
注意事项:
exit()不仅会终止进程，还会清理进程使用的资源，包括缓冲区数据、已打开的文件等。- 如果进程通过
exit()退出，操作系统会收集子进程的退出状态信息（如果有的话）。这也与waitpid()函数相关，父进程可以使用它来获取子进程的退出状态。
echo $?：打印最近一个程序退出时的退出码。main函数的返回值我们称为进程退出码
2.1.3 _exit
_exit() 是一个系统调用，功能是立即终止当前进程。它会直接终止进程并清理资源，但不会执行 exit() 需要执行的标准库清理过程，如关闭流、执行注册的 atexit() 函数等。_exit() 主要用于在进程中断时需要立即退出的情况。
exit（库函数） vs _exit（系统调用）
- exit退出进程的时候，会进行缓冲区的刷新
- _exit退出进程的时候，不会进行缓冲区的刷新
exit() 和 _exit() 的主要区别在于资源清理的行为，_exit() 更加快速、低级，适用于子进程或需要避免缓冲区刷新的场景。
2.2 退出码与strerror
退出码是操作系统用来表示进程终止状态的一个整数值。退出码通常由进程的最后一个返回值决定，表示进程的结束结果。退出码可以由程序员自定义，用于指示程序的执行情况。
- 退出码值：
0：表示程序成功结束（即没有错误发生）。- 非零值：表示程序出现了某些错误或异常，非零的退出码通常用于区分不同的错误类型。
sterror() 一个标准库函数，用于根据错误码（errno）返回一个错误信息字符串。当程序遇到错误时，通常会设置 errno 变量，strerror（）函数可以根据 errno 的值返回错误的描述信息，这对于调试和错误处理非常有帮助。
通过下面的结果可以看到，退出码一共有134种
fopen打开失败时会返回错误码errno，表示打开失败的原因
此时失败的原因就是2：没有该文件
再来一个例子
errno 和 strerror()的关系
- 当一个系统调用或库函数发生错误时，它会设置
errno变量，errno是一个全局变量，表示最后发生的错误类型。 strerror()使用errno的值返回一个错误描述字符串，用于帮助程序员理解错误的具体原因。
常见的 errno 错误码：
ENOMEM：内存不足EINVAL：无效的参数EAGAIN：资源暂时不可用ENOENT：没有找到文件或目录EACCES：权限不足EBADF：坏的文件描述符
上图前两种情况退出码由return返回值决定可以自己设置
第三种情况退出码无意义
3. 进程等待
3.1 wait 和 waitpid
在多进程程序中，父进程可能需要等待子进程执行完毕并回收其资源。Linux 提供了两个常用的系统调用：wait 和 waitpid，它们用于父进程等待子进程结束并获取其退出状态。通过这些调用，父进程能够管理子进程的生命周期，并处理子进程终止时的各种情况。
3.1.1 wait
函数原型：
pid_t wait(int *status);
status: 指向一个整型变量的指针，用来存储子进程的退出状态。父进程可以通过该变量检查子进程的终止状态（是否正常退出、是否由于信号退出等）。- 返回值: 返回结束的子进程的
pid（进程ID），如果没有子进程或遇到错误，返回-1。
使用方式：wait() 一般会阻塞父进程，直到一个子进程退出。如果父进程有多个子进程，它会返回第一个结束的子进程的 pid。
-
前五秒正常运行：
- 在前五秒内，父进程和子进程运行正常。子进程会输出 5 次自己的 PID 和父进程 PID，然后正常退出。
- 父进程在这时并未调用
waitpid()，因此子进程在退出时没有立刻被父进程收养。此时，子进程还没有成为僵尸进程。
子进程成为僵尸进程：
子进程执行 exit(0) 后会变成僵尸进程，原因是父进程没有及时调用 waitpid() 来回收它的资源。僵尸进程是已经退出但尚未被父进程回收的进程，它会保留在进程表中，直到父进程通过 waitpid() 获取它的退出状态。
为什么子进程变成僵尸进程：
在父进程调用 sleep(10) 后，它延迟了 10 秒才调用 waitpid()，这个时候子进程已经结束并变成僵尸进程。虽然子进程退出了，但父进程还未及时收尸，因此子进程保持在进程表中。
后续父进程回收子进程
父进程在调用 waitpid() 后，成功回收了子进程的退出状态，从而清除了僵尸进程。waitpid() 返回值 rid 是子进程的 PID，表明子进程已经被父进程回收。
- 前五秒：父子进程正常执行，子进程打印信息，父进程保持休眠。
- 后五秒：子进程退出后变成僵尸进程，因为父进程没有及时调用
waitpid()来回收子进程的退出状态。 - 父进程等待回收：父进程通过
waitpid()回收子进程，清除了僵尸进程。
3.1.2 waitpid
waitpid() 是一个更灵活的系统调用，它允许父进程等待指定的子进程，也可以通过额外的选项控制等待行为。与 wait() 不同，waitpid() 可以等待特定的子进程，或者在不阻塞父进程的情况下进行非阻塞等待。
函数原型：
pid_t waitpid(pid_t pid, int *status, int options);
-
pid: 可以指定要等待的子进程的pid：pid > 0: 等待指定pid的子进程。pid == 0: 等待同组的任何子进程。pid == -1: 等待任何子进程（与wait()类似）。pid < -1: 等待进程组中的某个子进程。
-
status: 用于存储子进程的退出状态，和wait()相同。 -
options: 控制行为的选项，常用的选项有：WNOHANG：非阻塞模式，立即返回，若没有子进程终止则返回 0。WUNTRACED：等待已停止的子进程。WCONTINUED：等待已经继续运行的子进程。
返回值
- 返回
pid（子进程的pid）表示父进程已成功获得该子进程的终止信息。 - 如果没有子进程或遇到错误，返回
-1
下面的waitpid作用与wait相同
3.2 获取子进程status
在父进程等待子进程终止时，wait() 或 waitpid() 会返回一个表示子进程状态的整数 status。通过宏函数，我们可以从 status 中提取子进程的退出信息：
-
WIFEXITED(status)
判断子进程是否正常退出。如果子进程是由于调用exit()或正常返回而终止，WIFEXITED返回true，可以通过WEXITSTATUS(status)获取子进程的退出码。 -
WIFSIGNALED(status)
判断子进程是否因为信号异常终止。如果子进程由于收到信号（例如SIGKILL、SIGSEGV）而退出，WIFSIGNALED返回true，可以通过WTERMSIG(status)获取终止信号的编号。 -
WIFSTOPPED(status)
判断子进程是否被信号暂停。如果子进程被信号暂停（例如通过SIGSTOP），WIFSTOPPED返回true，可以通过WSTOPSIG(status)获取导致子进程暂停的信号编号。 -
WIFCONTINUED(status)
判断子进程是否继续运行。如果子进程在暂停后继续运行，WIFCONTINUED返回true。 -
WEXITSTATUS(status)
如果WIFEXITED(status)返回true，则可以调用WEXITSTATUS(status)获取子进程的退出码。通常情况下，子进程会通过exit()函数传递一个退出码。 -
WTERMSIG(status)
如果WIFSIGNALED(status)返回true，则可以调用WTERMSIG(status)获取终止子进程的信号编号（例如，SIGSEGV表示段错误）。 -
WSTOPSIG(status)
如果WIFSTOPPED(status)返回true，则可以调用WSTOPSIG(status)获取导致子进程暂停的信号编号。
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/wait.h>
#include <unistd.h>int main() {pid_t pid = fork(); // 创建子进程if (pid == 0) {// 子进程：模拟正常退出printf("Child process exiting normally\n");exit(42); // 子进程正常退出并返回退出码 42} else if (pid > 0) {// 父进程int status;pid_t child_pid = waitpid(pid, &status, 0); // 等待子进程结束if (child_pid > 0) {if (WIFEXITED(status)) {// 子进程正常退出int exit_code = WEXITSTATUS(status);printf("Child process exited with code %d\n", exit_code);} else if (WIFSIGNALED(status)) {// 子进程由于信号终止int signal_number = WTERMSIG(status);printf("Child process terminated by signal %d\n", signal_number);} else if (WIFSTOPPED(status)) {// 子进程被信号暂停int stop_signal = WSTOPSIG(status);printf("Child process stopped by signal %d\n", stop_signal);} else if (WIFCONTINUED(status)) {// 子进程继续执行printf("Child process continued\n");}}} else {perror("fork failed");exit(1);}return 0;
}
Child process exiting normally
Child process exited with code 42
- 父进程调用
waitpid(pid, &status, 0)等待特定的子进程。 - 通过
WIFEXITED(status)判断子进程是否正常退出，并使用WEXITSTATUS(status)获取退出码42。
8-15是退出状态，即退出码
退出码为1，因此8-15之间为00000001，0-7为0，所以为0000000100000000->256
那我们怎么让status和退出码一致呢？status>>8&0xFF
拿到退出信号
waitppid：WEXITSTATUS(status)
非阻塞调用
4. 进程替换
在一个进程运行过程中，有时候需要执行另一个不同的程序。进程替换就是让当前进程放弃正在执行的程序，转而执行新的程序。这种替换是直接的，不会创建新的进程，而是复用当前进程的资源。一旦替换成功就去执行新的代码了，原始代码之后的部分就不存在了。
常见实现方式：在 C 语言中使用 exec 系列函数
常见的有 execl、execv、execle、execve、execlp 和 execvp。这些函数的功能基本相同，只是参数传递方式略有不同。exec*系列的函数只有失败会有返回值，没有成功返回值。
#include <unistd.h>int execl(const char *path, const char *arg, ...);
int execlp(const char *file, const char *arg, ...);
int execle(const char *path, const char *arg, ..., char * const envp[]);
int execv(const char *path, char *const argv[]);
int execvp(const char *file, char *const argv[]);
int execve(const char *path, char *const argv[], char *const envp[]);按参数传递方式分类
execl、execlp、execle：使用可变参数列表传递命令行参数，最后一个参数必须为NULL，用于表示参数列表的结束。execv、execvp、execve：使用字符指针数组argv传递命令行参数，数组的最后一个元素必须为NULL。
按查找路径分类
execl、execv、execle、execve：需要指定要执行程序的完整路径名path。-
execlp、execvp：只需要指定程序名file，系统会在环境变量PATH所指定的路径中查找该程序。
按是否自定义环境变量分类
execl、execlp、execv、execvp：使用调用进程的环境变量。execle、execve：可以通过envp参数自定义环境变量。
4.1 execl
int execl(const char *path, const char *arg, ...);功能：用新程序替换当前进程的映像，新程序的路径由 path 指定，命令行参数以可变参数列表的形式传递。
参数：
path：要执行程序的完整路径名。
arg：可变参数列表，第一个参数通常是程序名，最后一个参数必须为 NULL。
返回值：如果执行成功，不会返回；如果执行失败，返回 -1，并设置 errno。
程序执行ls -l 命令
4.2 execlp
int execlp(const char *file, const char *arg, ...);- 与
execl类似，但不需要指定程序的完整路径，系统会在PATH环境变量指定的路径中查找该程序。 - 参数：
file：要执行程序的名称。arg：可变参数列表，第一个参数通常是程序名，最后一个参数必须为NULL。
- 返回值：如果执行成功，不会返回；如果执行失败，返回 -1，并设置
errno。
第一个 ls 的作用是指定要执行的程序的名称。execlp 函数会在环境变量 PATH 所指定的路径中查找这个名称对应的可执行文件。
第二个 ls 是传递给 第一个ls 程序的第一个命令行参数。后面跟着的 -l 则是 ls 命令的一个选项
4.3 execle
int execle(const char *path, const char *arg, ..., char * const envp[]);- 功能：用新程序替换当前进程的映像，新程序的路径由
path指定，命令行参数以可变参数列表的形式传递，同时可以通过envp参数自定义环境变量。 - 参数：
path：要执行程序的完整路径名。arg：可变参数列表，第一个参数通常是程序名，最后一个参数必须为NULL。envp：自定义的环境变量数组，数组的最后一个元素必须为NULL。
- 返回值：如果执行成功，不会返回；如果执行失败，返回 -1，并设置
errno。
4.4 execv
int execv(const char *path, char *const argv[]);- 用新程序替换当前进程的映像，新程序的路径由
path指定，命令行参数以字符指针数组argv的形式传递。 - 参数：
path：要执行程序的完整路径名。argv：命令行参数数组，数组的第一个元素通常是程序名，最后一个元素必须为NULL。
- 返回值：如果执行成功，不会返回；如果执行失败，返回 -1，并设置
errno。
4.5 execvp
int execvp(const char *file, char *const argv[]);- 功能：与
execv类似，但不需要指定程序的完整路径，系统会在PATH环境变量指定的路径中查找该程序。 - 参数：
file：要执行程序的名称。argv：命令行参数数组，数组的第一个元素通常是程序名，最后一个元素必须为NULL。
- 返回值：如果执行成功，不会返回；如果执行失败，返回 -1，并设置
errno。
4.6 execve
int execve(const char *path, char *const argv[], char *const envp[]);- 功能：用新程序替换当前进程的映像，新程序的路径由
path指定，命令行参数以字符指针数组argv的形式传递，同时可以通过envp参数自定义环境变量。 - 参数：
path：要执行程序的完整路径名。argv：命令行参数数组，数组的第一个元素通常是程序名，最后一个元素必须为NULL。envp：自定义的环境变量数组，数组的最后一个元素必须为NULL。
- 返回值：如果执行成功，不会返回；如果执行失败，返回 -1，并设置
errno。