【Linux操作系统】深入探索Linux进程：创建、共享与管理

怼烎@ 2024-03-23 22:43 92阅读 0赞

> 进程的创建是Linux系统编程中的重要概念之一。在本节中，我们将介绍进程的创建、获取进程ID和父进程ID、进程共享、exec函数族、wait和waitpid等相关内容。  
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#### 文章目录 ####

*   *  1. 进程的创建
     *   *  1.1 函数原型和返回值
         *  1.2 函数示例
     *  2. 获取进程ID和父进程ID
     *   *  2.1 函数原型和返回值
         *  2.2 函数示例
     *  3. exec函数族
     *   *  3.1 \`exec()\`函数族的常见成员：
         *  3.2 函数示例
     *  4. wait和waitpid
     *   *  4.1 函数解释
         *  4.2 函数示例
 *  总结

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### 1. 进程的创建 ###

在Linux系统中，进程的创建使用`fork()`系统调用。`fork()`系统调用会创建一个与当前进程相同的子进程，子进程会复制父进程的所有资源，包括代码、数据和文件描述符等。

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#### 1.1 函数原型和返回值 ####

**`fork()`函数的原型如下：**

#include <unistd.h>
    
    pid_t fork(void);

`fork()`函数 没有任何参数 ，它的返回值是一个`pid_t`类型的整数。具体解释如下：

*  如果调用成功，`fork()`函数会在父进程中返回子进程的PID（子进程ID），在子进程中返回0。
 *  如果调用失败，`fork()`函数会返回-1，并设置`errno`来指示错误类型。

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#### 1.2 函数示例 ####

**代码示例如下：**

#include <stdio.h>
    #include <sys/types.h>
    #include <unistd.h>
    
    int main() {
        
        pid_t pid = fork();
        if (pid == -1) {
        
            printf("Failed to fork a new process.\n");
            return 1;
        } else if (pid == 0) {
        
            printf("This is the child process.\n");
        } else {
        
            printf("This is the parent process.\n");
        }
        return 0;
    }

上述代码中，`fork()`系统调用会返回两次，分别在父进程和子进程中返回。通过判断返回值，我们可以区分父进程和子进程，并执行不同的代码逻辑。

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### 2. 获取进程ID和父进程ID ###

在Linux系统中，可以使用`getpid()`和`getppid()`系统调用来获取当前进程的ID和父进程的ID。

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#### 2.1 函数原型和返回值 ####

`getpid()`和`getppid()`函数的原型如下：

#include <sys/types.h>
    #include <unistd.h>
    
    pid_t getpid(void);
    pid_t getppid(void);

这两个函数都 没有任何参数 ，它们的返回值都是一个`pid_t`类型的整数。具体解释如下：

*  `getpid()`函数返回调用进程的进程ID（PID）。
 *  `getppid()`函数返回调用进程的父进程的进程ID（PPID）。

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#### 2.2 函数示例 ####

**代码示例如下：**

#include <stdio.h>
    #include <sys/types.h>
    #include <unistd.h>
    
    int main() {
        
        pid_t pid = getpid();
        pid_t ppid = getppid();
        printf("Process ID: %d\n", pid);
        printf("Parent Process ID: %d\n", ppid);
        return 0;
    }

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### 3. exec函数族 ###

在Linux系统中，`exec()`函数族可以用于将当前进程替换为新的程序。`exec()`函数族包括`execl()`、`execv()`、`execle()`、`execve()`等函数。这些函数可以根据不同的参数形式来执行不同的替换方式。

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#### 3.1 `exec()`函数族的常见成员： ####

1.  `int execl(const char *path, const char *arg, ...);`
    
     *  参数 `path` 是要执行的新程序的路径。
     *  参数 `arg` 是一个字符串，表示新程序的第一个参数。
     *  可变参数列表是新程序的其他参数，必须以 `NULL` 结束。
     *  函数执行成功时不会返回，如果返回则表示执行失败。
    
    --------------------
2.  `int execv(const char *path, char *const argv[]);`
    
     *  参数 `path` 是要执行的新程序的路径。
     *  参数 `argv` 是一个字符串数组，表示新程序的参数列表，最后一个元素必须是 `NULL`。
     *  函数执行成功时不会返回，如果返回则表示执行失败。
    
    --------------------
3.  `int execle(const char *path, const char *arg, ..., char *const envp[]);`
    
     *  参数 `path` 是要执行的新程序的路径。
     *  参数 `arg` 是一个字符串，表示新程序的第一个参数。
     *  可变参数列表是新程序的其他参数，必须以 `NULL` 结束。
     *  参数 `envp` 是一个字符串数组，表示新程序的环境变量列表，最后一个元素必须是 `NULL`。
     *  函数执行成功时不会返回，如果返回则表示执行失败。
    
    --------------------
4.  `int execvp(const char *file, char *const argv[]);`
    
     *  参数 `file` 是要执行的新程序的文件名。
     *  参数 `argv` 是一个字符串数组，表示新程序的参数列表，最后一个元素必须是 `NULL`。
     *  函数执行成功时不会返回，如果返回则表示执行失败。
    
    --------------------

这些函数在执行成功时不会返回，而是直接将当前进程替换为新程序。如果返回，则表示执行失败，可以根据返回值来判断错误类型。

`exec()`函数族可以用于在当前进程中加载和执行新程序，可以实现程序的动态切换和功能扩展。一般情况下，`exec()`函数族会在调用`fork()`函数创建子进程后使用，以替换子进程的代码和数据。

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#### 3.2 函数示例 ####

**代码示例如下：**

#include <stdio.h>
    #include <unistd.h>
    
    int main() {
        
        printf("Before exec()\n");
        execl("/bin/ls", "ls", "-l", NULL);
        printf("After exec()\n");
        return 0;
    }

上述代码中，`execl()`函数会将当前进程替换为`ls -l`命令。`execl()`函数的第一个参数是要执行的程序路径，后续参数是传递给新程序的命令行参数。

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### 4. wait和waitpid ###

在Linux系统中，父进程可以使用`wait()`或`waitpid()`系统调用等待子进程的结束。这些系统调用会阻塞父进程的执行，直到子进程结束。

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#### 4.1 函数解释 ####

`wait()`和`waitpid()`是用于等待子进程结束并获取子进程的退出状态的函数。

1.  `pid_t wait(int *status);`
    
     *  函数会挂起当前进程，直到一个子进程结束。
     *  如果成功等到子进程结束，函数会返回子进程的进程ID。
     *  参数 `status` 是一个指向整型的指针，用于存储子进程的退出状态信息。
     *  如果调用失败，函数会返回-1。
    
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2.  `pid_t waitpid(pid_t pid, int *status, int options);`
    
     *  函数会挂起当前进程，直到指定的子进程结束。
     *  参数 `pid` 指定要等待的子进程的进程ID。
     *  参数 `status` 是一个指向整型的指针，用于存储子进程的退出状态信息。
     *  参数 `options` 是一个整型值，用于指定等待的选项。
     *  如果调用失败，函数会返回-1。
    
    --------------------

`wait()`和`waitpid()`函数的返回值是子进程的进程ID，如果调用失败，则返回-1。通过参数 `status` 可以获取子进程的退出状态信息，包括退出码、终止信号等。

`waitpid()`函数相比于`wait()`函数更加灵活，可以通过参数 `pid` 和 `options` 控制等待的子进程。

其中，`pid` 的取值可以是：

*  `-1`：等待任意子进程。
 *  `0`：等待与当前进程组ID相同的子进程。
 *  具体的子进程ID：等待指定的子进程。

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`options` 参数可以通过位掩码的方式指定多个选项，常用的选项有：

*  `WNOHANG`：非阻塞方式，如果没有子进程结束，立即返回。
 *  `WUNTRACED`：也会返回已经停止的子进程的状态。
 *  `WCONTINUED`：也会返回已经继续运行的子进程的状态。

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`wait()`和`waitpid()`函数可以用于处理子进程的退出状态，释放子进程的资源，并进行进程间的同步。在使用这两个函数时，需要注意处理错误情况和避免僵尸进程的产生。

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#### 4.2 函数示例 ####

**代码示例如下：**

#include <stdio.h>
    #include <sys/types.h>
    #include <sys/wait.h>
    #include <unistd.h>
    
    int main() {
        
        pid_t pid = fork();
        if (pid == -1) {
        
            printf("Failed to fork a new process.\n");
            return 1;
        } else if (pid == 0) {
        
            printf("This is the child process.\n");
        } else {
        
            wait(NULL);
            printf("This is the parent process.\n");
        }
        return 0;
    }

上述代码中，父进程使用`wait(NULL)`系统调用等待子进程的结束。`wait()`系统调用会阻塞父进程的执行，直到子进程结束。

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## 总结 ##

1.  `fork()`函数：用于创建子进程，返回值不同表示在不同的进程中执行。
2.  `exec()`函数族：用于在当前进程中加载和执行新程序，可以实现程序的动态切换和功能扩展。
    
     *  `execl()`：接受可变参数的形式，参数以字符串形式传递。
     *  `execle()`：接受可变参数的形式，同时传递环境变量。
     *  `execvp()`：接受参数数组的形式，参数以字符串数组形式传递。
3.  `wait()`和`waitpid()`函数：用于等待子进程结束并获取子进程的退出状态。
    
     *  `wait()`：等待任意子进程结束。
     *  `waitpid()`：可以指定等待的子进程。
     *  通过参数 `status` 可以获取子进程的退出状态信息。
     *  可以通过 `options` 参数控制等待的选项，如非阻塞方式等。
     *  需要注意处理错误情况和避免僵尸进程的产生。

这些函数和系统调用可以用于进程的创建、执行和等待，实现进程间的同步和协作。通过这些函数，可以实现进程的动态切换、功能扩展和资源释放。同时，需要注意处理错误情况，避免产生僵尸进程和资源泄漏的问题。

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