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一、进程等待
1.1 为什么要等待子进程？
在 Linux 中，父进程创建子进程后，子进程会独立运行。如果子进程退出后，父进程不采取任何措施，子进程会变成僵尸进程。僵尸进程虽然占用的资源很少，但会浪费系统资源（如进程表项），并且无法被杀死（因为已经“死”了）。为了避免这种情况，父进程需要通过进程等待的方式回收子进程的资源，并获取子进程的退出信息。
此外，父进程通常需要知道子进程的任务完成情况，例如子进程是否正常退出、退出状态码是多少等。这些信息可以通过进程等待来获取。
想象你请了一位临时工（子进程）来完成工作，完成后你需要验收工作成果并结算工资。如果放任不管，这个临时工就会变成"僵尸"赖在系统中，这就是僵尸进程。僵尸进程会导致：
内存泄漏：占用系统进程表资源
信息丢失：无法获取子进程执行结果
无法清除：连kill -9都无法终止僵尸进程
1.2 等待的两种方式
Linux 提供了两种主要方法来实现进程等待：wait 和 waitpid。
1.2.1 wait函数
wait 是一种简单的进程等待方法，父进程调用它后会阻塞，直到子进程退出。
#include <sys/types.h>
#include <sys/wait.h>
pid_t wait(int *status);
返回值：成功时返回子进程的 PID，失败时返回 -1。
参数：用于获取子进程的退出状态。如果不关心子进程的退出状态，可以传入
NULL。
1.2.2 waitpid函数
waitpid 是更灵活的进程等待方法，它可以指定等待的子进程，并支持非阻塞等待。
pid_t waitpid(pid_t pid, int *status, int options);返回值：
- 如果有符合条件的子进程退出，返回子进程的 PID。
- 如果设置了
WNOHANG选项且没有子进程退出，返回 0。- 如果出错，返回 -1。
参数：
pid：
- Pid=-1,等待任意一个子进程。与wait等效。
- Pid>0.等待其进程ID与pid相等的子进程。
status:
- WIFEXITED(status): 若为正常终止子进程返回的状态，则为真。（查看进程是否是正常退出）
- WEXITSTATUS(status): 若WIFEXITED非零，提取子进程退出码。（查看进程的退出码）
options:
- WNOHANG: 若pid指定的子进程没有结束，则waitpid()函数返回0，不予以等待。若正常结束，则返回该子进程的ID。
- 如果子进程已经退出，调用wait/waitpid时，wait/waitpid会立即返回，并且释放资源，获得子进程退出信息。
- 如果在任意时刻调用wait/waitpid，子进程存在且正常运行，则进程可能阻塞。
- 如果不存在该子进程，则立即出错返回。
1.3 获取子进程的退出状态
- wait和waitpid，都有一个status参数，该参数是一个输出型参数，由操作系统填充。
- 如果传递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，具体细节如下图（只研究status低16比特位）：
关键宏定义：
WIFEXITED(status) // 是否正常退出 WEXITSTATUS(status) // 获取退出码 WIFSIGNALED(status) // 是否被信号终止 WTERMSIG(status) // 获取终止信号
1.4 示例代码
阻塞式等待（同步）
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/wait.h>
int main()
{
pid_t pid = fork();
if (pid < 0)
{
perror("fork error");
return 1;
}
else if (pid == 0)
{
// 子进程
printf("Child is running, PID: %d\n", getpid());
sleep(5);
exit(257);
}
else
{
// 父进程
int status = 0;
pid_t ret = waitpid(-1, &status, 0); // 阻塞等待
if (WIFEXITED(status))
{
printf("Child exited with code: %d\n", WEXITSTATUS(status));
}
}
return 0;
}
非阻塞等待（异步）
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/wait.h>
int main()
{
pid_t pid = fork();
if (pid < 0)
{
perror("fork error");
return 1;
}
else if (pid == 0)
{
// 子进程
printf("Child is running, PID: %d\n", getpid());
sleep(5);
exit(1);
}
else
{
// 父进程
int status = 0;
pid_t ret = 0;
do
{
ret = waitpid(-1, &status, WNOHANG); // 非阻塞等待
if (ret == 0)
{
printf("Child is still running...\n");
sleep(1);
}
} while (ret == 0);
if (WIFEXITED(status))
{
printf("Child exited with code: %d\n", WEXITSTATUS(status));
}
}
return 0;
}
二、进程替换
2.1 什么是进程替换？
进程替换是指子进程通过调用 exec 系列函数，将自己的用户空间代码和数据完全替换为另一个程序的内容，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，因此进程 ID 不会改变。
不创建新进程：保持原PID不变
完全替换：代码段、数据段、堆栈都被替换
执行流程：从新程序的main函数开始执行
2.2 exec 系列函数
Linux 提供了六种 exec 函数，它们的功能类似，但参数形式不同：
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[]);| 函数名 | 参数格式 | 搜索PATH | 环境变量 |
|---|---|---|---|
| execl | 列表 | 否 | 继承 |
| execlp | 列表 | 是 | 继承 |
| execle | 列表 | 否 | 自定义 |
| execv | 数组 | 否 | 继承 |
| execvp | 数组 | 是 | 继承 |
| execve | 数组 | 否 | 自定义 |
记忆口诀：
l(list)：参数逐个列出（
execl,execlp,execle）v(vector)：使用参数数组（
execv,execvp,execve）p(path)：自动搜索PATH环境变量
e(env)：自定义环境变量
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 示例代码
#include <unistd.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);
exit(0);
}事实上,只有execve是真正的系统调用,其它五个函数最终都调用 execve,所以execve在man手册 第2节,其它函数在man手册第3节。这些函数之间的关系如下图所示：
2.5 重要特性
成功无返回：替换成功后不再执行原程序代码
失败返回-1：可通过errno查看错误原因
文件描述符：默认保持打开（除非设置FD_CLOEXEC）