Linux进程控制

1. 进程终止

1.1. 进程终止的本质是回收资源

1.1 释放资源

• 内存资源：
  • 释放进程的地址空间（mm_struct），包括代码段、数据段、堆、栈等，通过写时复制（CoW）共享的页会减少引用计数，若计数为 0 则释放物理内存。
  • 销毁页表、页目录等内存管理结构。
• 文件资源：
  • 关闭所有打开的文件描述符（File Descriptor），对应文件对象（struct file）的引用计数减 1，若计数为 0 则释放文件对象（关闭文件）。
  • 断开与管道、socket 等 IPC 资源的关联，清理相关内核结构。
• 其他资源：
  • 释放信号处理表、进程定时器、进程间通信（IPC）资源（如共享内存、信号量）等。
  • 从所属进程组、会话中移除，更新进程组和会话的状态。

1.2 处理进程状态

• 进程状态从运行态 / 阻塞态等转为终止态（TASK_DEAD），不再参与调度。
• 保存进程的退出状态（exit_status），包括终止原因（正常返回值或信号编号），供父进程查询。

1.3 处理父进程与子进程的关系

• 通知父进程：通过信号 SIGCHLD 通知父进程 “子进程已终止”，父进程可通过 wait() 或 waitpid() 系列函数获取子进程的退出状态。
• 僵尸进程（Zombie Process）的产生：若父进程未及时调用 wait() 回收子进程，子进程的 PCB（进程控制块）会暂时保留（仅释放大部分资源），成为僵尸进程（状态为 Z），直到父进程回收或父进程退出。
• 孤儿进程（Orphan Process）的处理：若父进程先于子进程终止，子进程会被init 进程（PID=1，或 systemd 等现代初始化进程）收养，init 进程会负责调用 wait() 回收孤儿进程，避免其成为僵尸进程。

1.2 进程退出的三种情况

• 代码运行完毕，结果正确。

• 代码运行完毕，结果不正确。

• 代码异常终止。

1.3 进程常见退出方法

1. main函数返回值。

2. 调用exit函数。

• 可以通过 echo $? 查看最近一个退出进程的退出码。

• 退出码0代表代码运行完毕，结果正确；非0代表代码运行完毕，结果不正确。

• 代码异常终止是通过操作系统发送信号终止的。

2. 进程等待

2.1 进程等待的必要性

• 防止僵尸进程问题，进而造成内存泄漏。

• 方便父进程管理子进程，通过进程等待可以知道交给子进程的任务完成的怎么样。

2.2 进程等待的系统调用

2.2.1 wait

等待任意一个子进程终止。

函数原型

#include<sys/types.h>
#include<sys/wait.h>pid_t wait(int* status);

参数

• status： 输出型参数，获取子进程退出状态，不关心则可以设为 NULL。

返回值

• 成功时：返回终止子进程的PID。

• 失败时：返回 -1，并设置 errno。

2.2.2 waitpid

#include<sys/types.h>
#include<sys/wait.h>pid_t waitpid(pid_t pid , int *status , int options);

参数

• pid：

  • pid > 0: 等待进程ID等于pid的特定子进程。

  • pid = -1: 等待任意子进程，等同于 wait。

  • pid = 0: 等待与调用进程同进程组的任意子进程。

  • pid < -1: 等于进程组ID等于pid绝对值的任意子进程。

• status： 输出型参数，获取子进程退出状态，不关心则可以设为 NULL。

• options：

  • 默认为0，表示阻塞等待。

  • WNOHANG: 非阻塞等待（通常配合循环进行使用）

返回值

• 成功时：返回终止子进程的PID。

• 失败时：返回 -1，并设置 errno。

• 如果指定了 WNOHANG 且没有子进程状态发生改变，返回0。

2.2.3 输出型参数status

• 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不能简单的当作整形来看待，可以当作位图来看待。

---

• 可通过系统提供的宏解析status参数

  • WIFEXITED(status): 子进程正常终止为真。

    • 等价：(status&0x7f) == 0

  • WEXITSTATUS(status): 获取子进程的退出码。

    • 等价：(status >> 8)&0xff

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/wait.h>int main () {pid_t id = fork();if (id == 0) {// child processint count = 5;while (count--) {printf("I am a child process , pid: %d , ppid: %d\n" , getpid() , getppid());sleep(1);}exit(100);} else if (id > 0) {// father processint status = 0;while (1) {pid_t res = waitpid(id , &status , WNOHANG);if (res > 0) {// if (WIFEXITED(status)) {    // wifexitedif ((status&0x7f) == 0) { // printf("child process exit code: %d\n" , WEXITSTATUS(status)); // wexitstatusprintf("wait success , child process exit code: %d\n" , (status >> 8)&0xff); // wexitstatus} else {printf("signal code: %d\n" , status&0x7f);}break;} else if (res == 0) {printf("sleep 1s continuous wait\n");sleep(1);} else {perror("waitpid ");exit(1);}}} else {perror("fork ");}return 0;
}

3. 进程替换

3.1 概念

程序替换是指在进程运行过程中，替换当前进程的代码和数据，使其执行另一个完全不同的程序，但进程ID（PID）保持不变。

• 被替换的部分

  • 代码段：新程序的代码指令完全替换原程序的代码指令。

  • 数据段：包括初始化的全局变量、静态变量等，被新程序的数据覆盖。

  • 堆和栈：原有堆和栈会被释放，新程序会重新初始化自己的堆和栈结构。

  • 内存映射：原进程通过mmap映射的共享库或文件会被释放，新程序会加载自己的共享库和文件映射。

3.2 替换函数

#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[]);

函数后缀含义

• l (list)：参数以可变参数列表形式传递，最后一个参数必须是NULL。

• v (vector)：参数以字符串数组形式传递，数组最后一个元素必须是NULL。

• p (path)：在 PATH 环境变量指定的目录中查找可执行文件。

• e (environment)：可以传递自定义的环境变量数组。

返回值

• exec系列函数不用返回值判断，只要返回，就是失败。

3.2.1 execl

execl("/bin/ls" , "ls" , "-l" , NULL);

3.2.2 execlp

execlp("ls" , "ls" , "-l" , NULL);

3.2.3 execle

char *env[] = { "PATH=/bin" , "USER=test" , NULL };
execle("/bin/ls", "ls", "-l", NULL, env);

3.2.4 execv

char *argv[] = {"ls" , "-l" , NULL};
execv("/bin/ls", argv);

3.2.5 execvp

char *argv[] = {"ls" , "-l" , NULL};
execvp("ls", argv);

3.2.6 execvpe

char *argv[] = {"ls", "-l", NULL};
char *env[] = { "PATH=/bin" , "USER=test" , NULL };
execvpe("ls", argv, env);