生命之舞：创建，终止与等待，Linux进程控制的交响乐章

引言：进程的诞生与消亡

在操作系统的广袤宇宙中，进程如繁星般闪烁。它们诞生、闪耀、相互交织，最终化为虚无，将自己的成果留给这个数字世界。Linux系统，作为这片宇宙中最为璀璨的星系之一，以其独特的机制编排着这场生命的交响乐。

本文，我们将探索Linux进程控制的三重奏：创建、终止与等待，深入理解这场生命之舞的优雅节奏与内在规律。

一、进程创建

在学习 进程控制 相关知识前，先要对回顾如何创建 进程，涉及一个重要的函数 fork

1.1、fork函数

#include <unistd.h>	//所需头文件
pid_t fork(void);	//fork 函数

fork 函数的作用是在当前 进程 下，创建一个 子进程，子进程 创建后，会为其分配新的内存块和内核数据结构(PCB)，将 父进程 中的数据结构内容拷贝给 子进程，同时还会继承 父进程 中的环境变量表

• 进程具有独立性，父子进程具有不同的pid
• 如果子进程发生对数据的改写行为，会触发写时拷贝机制

fork 函数返回类型为 pid_t，相当于 typedef int，不过是专门用于进程的，同时它拥有两个返回值：

• 如果进程创建失败，返回 -1
• 进程创建成功后,给子进程返回 0,给父进程返回子进程的 PID 值

代码示例：

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/wait.h> //进程等待相关函数头文件
#include<stdlib.h>int main()
{//创建两个子进程pid_t id1 = fork();if(id1 == 0){//子进程创建成功，创建孙子进程pid_t id2 = fork();if(id2 == 0){printf("我是孙子进程，PID:%d   PPID:%d\n", getpid(), getppid());exit(1); //孙子进程运行结束后，退出}wait(0);  //等待孙子进程运行结束printf("我是子进程，PID:%d   PPID:%d\n", getpid(), getppid());exit(1);  //子进程运行结束后，退出}wait(0);  //等待子进程运行结束printf("我是父进程，PID:%d   PPID:%d\n", getpid(), getppid());return 0; //父进程运行结束后，退出
}

观察结果不难发现，两个子进程已经成功创建，但最晚创建的进程，总是最先运行，这是因为fork创建进程后，先执行哪个进程取决于调度器

得到子进程后，此时可以在一个程序中同时执行两个进程！(父进程非阻塞的情况下)

注意：fork 可能创建进程失败

原因如下：

• 系统中的进程过多时
• 实际用户的进程数超过了限制

总结：

• fork之前父进程独立执行，fork之后，父子两个执行流分别执行
• 注意，fork之后，谁先执行完全由调度器决定。

1.2、写时拷贝

在【进程地址空间】一文中，谈到了写时拷贝机制，实现原理就是通过 页表+MMU 机制，对不同的进程进行空间寻址，达到出现改写行为时，父子进程使用不同真实空间的效果

写时拷贝本质上是一种为了优化所做的赌博行为：

• 系统假设你创建的子进程并没有对数据进行修改，此时子进程中的数据就是父进程中的数据，无须再存储一份，优化了时间和空间
• 当发生改写时，再进行拷贝赋值，避免污染父进程中的数据

验证写时拷贝现象很简单，创建子进程后，使其对生命周期长的变量作出修改，再观察父子进程的结果即可

代码示例：

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/wait.h> //进程等待相关函数头文件
#include<stdlib.h>,const char* ps = "This is an Apple";  //全局属性int main()
{pid_t id = fork();if(id == 0){ps = "This is a Banana"; //改写printf("我是子进程，我认为：%s\n", ps);exit(0);  //子进程退出}wait(0);  //等待子进程退出printf("我是父进程，我认为：%s\n", ps);return 0;
}

不难发现，子进程对指针 ps 指向内容做出改变时，父进程并不受影响，这就是写时拷贝机制

• 通过地址打印，发现父子进程中的 ps 地址一致，因为此时是虚拟地址
• 在虚拟地址相同的情况下，真实地址是不同的，得益于 页表+MMU 机制寻址不同的空间

写时拷贝机制本质上是一种按需申请资源的策略

注意：

• 写时拷贝不止可以发生在常规栈区、堆区，还能发生在只读的数据段和代码段
• 写时拷贝后，生成的是副本，不会对原数据造成影响

二、进程终止

• 假设某个进程陷入了死循环状态，可以通过特定方法终止此程序，如在命令行中莫名其妙输入了一个指令，导致出现非正常情况，可以通过ctrl + c终止当前进程；
• 对于自己写的程序，有多种终止方法，程序退出时，还会有一个退出码，供 父进程 接收

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、退出码

echo $?

echo $? 打印一个最近程序退出时的退出码

main函数的返回值，代表程序的执行情况，返回值返回给寄存器，进行存储判断

退出码是给父进程看的，可以判断子进程是否成功运行

子进程运行情况：

• 运行失败或异常终止，此时出现终止信号，无退出码
• 运行成功，返回退出码，可能出现结果错误的情况

进程退出后，OS 会释放对应的 内核数据结构+代码和数据

main 函数退出，表示整个程序退出，而程序中的函数退出，仅表示该函数运行结束

2.2、退出方式

对一个正在运行中的进程，存在两种终止方式：外部终止和内部终止.

外部终止时，通过kill -9 PID指令，强行终止正在运行中的程序，或者通过ctrl + c终止前台运行中的程序

内部终止是通过函数exit()或 _exit() 实现的

• 之前在程序编写时，发生错误行为时，可以通过 exit(-1) 的方式结束程序运行.
• 代码中任意地方调用此函数，都可以提前终止程序

void exit(int status);void _exit(int status);

这两个退出函数，从本质上来说，没有区别，都是退出进程，但在实际使用时，还是存在一些区别，推荐使用 exit()

比如在下面这段程序中，分别使用exit()和 _exit() 观察运行结果

int main()
{printf("You can see me");//exit(-1); //退出程序//_exit(-1);  //第二个函数return 0;
}

• 使用exit()时，输出语句
• 使用 _exit() 时，并没有任何语句输出

原因：

• exit() 是对 _exit() 做的封装实现
• _exit() 就只是单纯的退出程序
• 而exit()在退出之前还会做一些事，比如冲刷缓冲区，再调用 _exit()
• 程序中输出语句位于输出缓冲区，不冲刷的话，是不会输出内容的

Linux Shell 中的主要退出码：

三、进程等待

僵尸进程 是一个比较麻烦的问题，如果不对其做出处理，僵尸进程 就会越来越多，导致 内存泄漏 和 标识符 占用问题

3.1、等待原因

子进程运行结束后，父进程没有等待并接收其退出码和退出状态，OS 无法释放对应的 内核数据结构+代码和数据，出现 僵尸进程

为了避免这种情况的出现，父进程可以通过函数等待子进程运行结束，此时父进程属于阻塞状态

注意：

• 进程的退出状态是必要的
• 进程的执行结果是非必要的
• 也就是说，父进程必须对子进程负责，确保子进程能够被正常回收，而子进程执行的结果是否正确，需要我们自行判断

3.2、等待函数

系统提供的父进程等待函数有两个 wait() 和 waitpid()，后者比较常用

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

• wait() 函数前面已经演示过了，这里着重介绍 waitpid() 返回值及其参数
• wait() 中的返回值和参数，包含在 waitpid() 中

返回值：

• 等待成功时，返回 >0 的值
• 等待失败时，返回 -1
• 等待中，返回 0

参数列表：

• pid 表示所等子进程的 PID
• status 表示状态，为整型，其中高 16 位不管，低 16 位中，次低 8 位表示退出码，第 7 位表示 core dump，低 7 位表示终止信号
• options 为选项，比如可以选择父进程是否需要阻塞等待子进程退出,如果不关心退出码，则可以直接传入null或0

需要特别注意 status

代码示例：

int main()
{//演示 waitpid()pid_t id = fork();  //创建子进程if(id == 0){int time = 5;int n = 0;while(n < time){printf("我是子进程，我已经运行了:%d秒 PID:%d   PPID:%d\n", n + 1, getpid(), getppid());sleep(1);n++;}exit(244);  //子进程退出}int status = 0; //状态pid_t ret = waitpid(id, &status, 0); //参数3 为0，为默认选项if(ret == -1){printf("进程等待失败！进程不存在！\n");}else if(ret == 0){printf("子进程还在运行中！\n");}else{printf("进程等待成功，子进程已被回收\n");}printf("我是父进程, PID:%d   PPID:%d\n", getpid(), getppid());//通过 status 判断子进程运行情况if((status & 0x7F)){printf("子进程异常退出，core dump：%d   退出信号：%d\n", (status >> 7) & 1, (status & 0x7F));}else{printf("子进程正常退出，退出码：%d\n", (status >> 8) & 0xFF);}return 0;
}

此时未发出终止信号，进程自然结束

• waitpid() 的返回值可以帮助我们判断此时进程属于什么状态(在下一份测试代码中表现更明显)
• status 的不同部分，可以帮助我们判断子进程因何而终止，并获取 退出码(终止信号)

在进程的 PCB 中，包含了 int _exit_code 和 int _exit_signal 这两个信息，可以通过对 status 的位操作间接获取其中的值

注意：

• status 的位操作需要多画图理解
• 正常退出时，终止信号为0；异常终止时，退出码没有，两者是互斥的
• code dump 现阶段用不到，但它是伴随着终止信号出现的

如果觉得 (status >> 8) & 0xFF 和(status & 0x7F)这两个位运算难记，系统还提供了两个宏来简化代码

• WIFEXITED(status) 判断进程退出情况，当宏为真时，表示进程正常退出
• WEXITSTATUS(status) 相当于 (status >> 8) & 0xFF，直接获取退出码

3.3、等待时执行

//options 参数
WNOHANG//比如
waitpid(id, &status, WNOHANG);

父进程并非需要一直等待子进程运行结束(阻塞等待)，可以通过设置 options 参数，进程解除夯 状态，父进程变成 等待轮询 状态，不断获取子进程状态(是否退出)，如果没退出，就可以在等待期间做别的事情

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/wait.h> //进程等待相关函数头文件int main()
{//演示 waitpid()pid_t id = fork();  //创建子进程if(id == 0){int time = 9;int n = 0;while(n < time){printf("我是子进程，我已经运行了:%d秒 PID:%d   PPID:%d\n", n + 1, getpid(), getppid());sleep(1);n++;}exit(244);  //子进程退出}int status = 0; //状态pid_t ret = 0;while(1){ret = waitpid(id, &status, WNOHANG); //参数3 设置为非阻塞状态if(ret == -1){printf("进程等待失败！进程不存在！\n");break;}else if(ret == 0){ printf("子进程还在运行中！\n");printf("我可以干一些其他任务\n");sleep(3);}else{printf("进程等待成功，子进程已被回收\n");//通过 status 判断子进程运行情况if(WIFEXITED(status)){printf("子进程正常退出，退出码：%d\n", WEXITSTATUS(status));break;}else{printf("子进程异常退出，code dump：%d   退出信号：%d\n", (status >> 7) & 1, (status & 0x7F));break;}}}return 0;
}

程序正常运行，父进程通过 等待轮询 的方式，在子进程执行的同时，执行其他任务

当然也可以通过kill -9 PID命令使子进程异常终止

可以看到程序能分别捕捉到正常和异常的情况

注意： 如果不写进程等待函数，会引发僵尸进程问题

结语：进程的诗意

在这片数字化的森林中，每一个进程都是一个独特的生命体，它们相互连接、相互影响，共同编织出操作系统运行的壮丽诗篇。而我们，作为这个系统的创造者与观察者，得以在代码与逻辑的缝隙间，窥见生命与技术交融的奇妙景象。

进程的创建如同生命的萌发，充满希望与可能；进程的终止如同生命的谢幕，或从容或仓促；进程的等待则如同生命间的守候与牵挂，表达着系统设计中对协作与秩序的追求。

本篇关于进程创建，终止与等待的介绍就暂告段落啦，希望能对大家的学习产生帮助，欢迎各位佬前来支持斧正！！！