【Linux】进程的生命之旅——诞生、消逝与守候（fork/exit/wait）

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📖一、进程创建

1.fork函数

📚高层封装特性

📚fork返回值

2.写时拷贝

3.调用失败

📚资源耗尽

📚进程数限制

📚内核限制

📖二、进程终止

1.退出场景

2.status退出码

3.退出方法

📚exit函数

📚_exit函数

📚main函数返回

📖三、进程等待

1.wait方法

📚语法

📚总结

2.waitpid方法

📚语法

📚总结

📖一、进程创建

1.fork函数

操作系统中进程的创建通常是通过系统调用实现的，在Linux中是通过fork()，它从已存在进程中创建一个新进程。新进程为子进程，而原进程为父进程。

#include<unistd.h> // 使用需包含头文件unistd.h
pid_t pid = fork(); // 在子进程中返回0，父进程中返回子进程pid，出错返回-1

fork是操作系统提供的一种高层封装，它抽象了进程创建的复杂过程，fork将底层的一系列操作封装在一个简单的系统调用中，屏蔽了许多复杂的细节：

📚高层封装特性

① 简化进程创建的步骤：

fork的调用接口非常简洁，只需要调用一次，系统会自动创建一个子进程并返回。父进程和子进程共享相同的代码，子进程可以继续从父进程的当前执行点运行。

② 屏蔽底层细节：

底层需要分配新的内存空间、复制父进程的状态、初始化子进程的资源，fork函数将这些细节全部封装起来。

③ 依赖操作系统：

fork的具体实现以来于操作系统内核，它负责管理进程表等关键数据结构，系统调用fork，当控制转移到内核中的fork代码后，内核做：

1. 分配新的内存块和内核数据结构给子进程

2. 将父进程部分数据结构内容拷贝给子进程

3. 添加子进程到系统进程列表当中

4. fork返回，开始调度器调dan'ddandan

当一个进程调用fork之后就会有两个二进制代码相同的进程，并且都能运行到相同的地方，各自开始往下走：

int main() {printf("Before: pid is %d, ppid is %d\n",getpid(),getppid());fork();printf("After: pid is %d, ppid is %d\n",getpid(),getppid());return 0;
}

❓这里为什么只有三行输出，子进程共享父进程的代码，并各自独立执行，应该是打印两次Before才对。分析打印结果，10226应该是父进程，确实打印了Before，而子进程10227没有打印Before，说明子进程并没有执行Before的代码，正如上面所说的，子进程继续从父进程的当前执行点运行，也就是从fork代码处往下执行，而fork之前的不会被执行：

所以，在一个进程调用fork之前，该进程单独执行，调用fork之后，父子两个进程执行流各自执行

📚fork返回值

在子进程中，fork返回0；

在父进程中，frok返回子进程pid。

❓这里提出一个问题，在父进程中fork返回值没有异议，因为fork函数是父进程调用的，自然会有返回值，但是在子进程中fork也有返回值，那么是不是子进程也调用了fork函数呢？这不肯定，因为一个进程调用fork函数之后会创建出它的子进程，而子进程再调用fork函数再创建。。。这显然不对，所以子进程并没有调用fork函数，但是为什么会有fork函数的返回值呢？

✅上面说到，子进程是从父进程的执行点开始往下执行的，所以对上述问题合理的解释是：父进程创建子进程时的执行点在fork函数调用之后，返回之前，所以子进程往下执行也会有返回值产生

2.写时拷贝

父子进程的代码是共享的，所以它们往后执行相同的操作，那么它们的数据也是共享的吗？的确，在没有进行写入时，父子进程的数据也是共享的，只有当一方尝试对共享数据进行写入时，系统才会拷贝一份数据用于写入，这样既确保了资源的高效利用，又保证了父子进程间的独立性。

3.调用失败

fork()调用失败通常于系统资源、权限、或操作系统限制有关，下面是常见的原因：

📚资源耗尽

当系统的资源不足时（如内存或进程表项不足），fork()会失败：

内存不足：操作系统需要为每个新进程分配内存，如果系统内存耗尽，fork() 就会失败。

进程表已满：每个进程都有一个进程控制块（PCB），操作系统维护一个进程表。如果系统中运行的进程数量已经达到限制，无法再为新进程分配进程控制块时，fork() 会失败。

堆栈空间不足：如果子进程的堆栈空间无法分配（尤其在某些嵌入式或资源受限的环境中），fork() 也会失败。

📚进程数限制

大多数操作系统对一个用户或系统总共能创建的进程数有限制。若当前用户或系统已经达到了此限制，调用 fork() 时就会失败。

可以通过 ulimit -u 查看单个用户的最大进程数：

📚内核限制

内核的资源，如文件描述符和信号等，也可能导致 fork() 失败。例如，如果父进程持有太多打开的文件句柄，可能会达到系统文件描述符的限制。

📖二、进程终止

1.退出场景

进城退出场景无非下面三种：

①：代码运行完毕，结果正确

②：代码运行完毕，结果不正确

③：代码异常终止（没有运行完）

第一种情况自然是最好的，但是如果是另外两种情况，我们就需要进行额外处理，但是我们怎么才能知道进程退出是哪种情况呢（什么时候需要处理，什么时候不需要呢）？

这个时候就需要进程退出时，做一些标记（返回退出码），告知操作系统或程序员具体的退出情况

2.status退出码

status状态码用于表示进程的退出状态，提供了进程执行结果的信息，状态码遵循以下约定：

0：表示命令成功执行，没有错误发生。
非0：表示命令执行失败。具体的非0值表示不同类型的错误，具体含义通常与执行的程序或命令相关。例如：
1：一般性错误。
2：命令语法错误。
126：命令不能执行（权限问题）。
127：命令未找到。
128：命令因信号导致终止（例如，程序被 kill 命令中断）。
130：程序因接收到 Ctrl+C（SIGINT）信号而退出。

status通常被定义成整形，但是并不能当作一般的整形看待，而是要看作成位图：

我们有一个 32 位的 status，其中高8位用于表示退出状态，低8位用于表示因信号退出的原因。

高8位（退出状态）可以有 256 种可能的退出码：

0：正常退出。

1 到 127：表示不同的错误。

128 到 255：表示因信号终止，计算方式为 128 + 信号编号。
低8位（信号终止标志）：

如果进程是由于信号终止的，那么低8位会记录相应的信号编号（例如，SIGKILL 对应 9，SIGSEGV 对应 11）。

如果进程不是由信号终止的，低8位通常为 0。

3.退出方法

进程退出的常见方法有：exit()，_exit()以及main()函数返回，下面依次进行介绍：

📚exit函数

exit(int status)：这是进程正常终止的一种方式。调用exit()后，进程会清理其资源（文件描述符、内存等），并将状态码status返回给操作系统。当返回0时表示成功退出，返回非0表示出现错误。

在多线程程序中，exit() 会终止当前进程以及所有线程。

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>int main() {printf("This process will exit normally.\n");exit(0);  // 正常退出，状态码为0
}

📚_exit函数

_exit(int status)：这个函数与 exit() 很相似，但它不会执行标准库的清理操作（如缓冲区刷新等），直接终止进程。来看下面这段代码：

int main()
{printf("this is a process, pid is %d, ppid is %d",getpid(),getppid());exit(0);
}

调用exit时，正常打印；

int main()
{printf("this is a process, pid is %d, ppid is %d",getpid(),getppid());_exit(0);
}

❓调用_exit时，没有正常打印，这是为什么呢？

✅printf输出时如果没有加上\n，此时输出的内容会存在标准输出缓冲区中，并不会立刻显示在终端，而调用_exit函数时，由于它不会执行标准库的清理操作，所以缓冲区的内容就不会显示在终端

exit函数最后其实会调用_exit函数，只不过在调用之前，多做了如清理缓冲区的操作：

📚main函数返回

return：在 main 函数中使用时，程序会结束并返回指定的退出状态码（通常为 0 表示成功，非 0 表示错误）。return 结束当前函数的执行，但如果在 main 函数中调用，它会导致程序退出。

return返回和exit调用的效果是一样的，其实他们本质上是等价的：return 0 等价于 exit(0)

只不过在main函数中用return返回作为程序终止的标志更符合函数的语义，可读性更强。

📖三、进程等待

之前的博客讲过，子进程退出，如果父进程不做任何处理，就会引发内存泄露（进程表等信息不会被清理），产生僵尸进程。 博客链接在此：详解僵尸进程于孤儿进程

那么避免僵尸进程的办法就是进程等待，父进程通过进程等待的方式，回收子进程资源，获取子进程退出信息。

1.wait方法

wait()是一个比较简化的系统调用，用于让父进程等待任意一个子进程的终止。wait()函数会阻塞父进程，直到有子进程终止，并且返回一个子进程的PID。

📚语法

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

status：用于返回子进程的退出状态。

返回值：如果调用成功，返回子进程的PID；如果没有则返回-1。

📚总结

1. 父进程调用wait()时会阻塞，直到有子进程结束并回收它的状态；

2. 如果有多个子进程退出，wait()返回任意一个子进程的PID；

3. 如果没有子进程，wait()会返回-1。

2.waitpid方法

waitpid() 是 wait() 的更为灵活和可控制的版本，允许父进程等待特定的子进程结束，或者通过指定参数进行更精细的控制。

📚语法

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

pid：指定需要等待的子进程的 PID。可以取以下几种值：
- pid > 0：等待指定 PID 的子进程。
- pid == -1：等待同组进程中的任意子进程。
status：与 wait() 相同，保存子进程的退出状态。
options：控制行为的标志，常用的选项有：
- WNOHANG：非阻塞模式，如果没有子进程退出，立即返回，而不是阻塞。
- WUNTRACED：如果子进程已经停止（但没有退出），也返回。
返回值：
- 返回子进程的 PID，如果没有子进程或者发生错误，返回 -1。
- 如果 status 中的退出状态有特殊状态（如退出信号），需要使用宏来解析。

int main()
{pid_t pid = fork();if(pid == 0){// 子进程printf("this is child process,pid is %d,ppid is %d\n",getpid(),getppid());exit(20);}// 父进程printf("this is father process,pid is %d\n",getpid());int status;pid_t child_pid = waitpid(-1,&status,WNOHANG);printf("child process has exited,code is %d,pid is %d\n",WEXITSTATUS(status),child_pid);exit(0);
}

父进程调用 wait() 或 waitpid() 时，它会传递一个指向 status 变量的指针，用于写入子进程的退出状态，所以我们需要在外部定义一个status变量，并通过取地址的方式传入函数内部。

❓定义成其他变量名可以吗：完全可以！

✅变量名只是内存的一个标识符，是用户自定义的，wait() 或 waitpid() 只关心的是传递给它的地址，而不是变量的名字，只不过定义成status这样代码更加易读。

❓定义成其他类型可以吗：不可以！

✅status 参数必须是一个指向 int 类型的指针。如果传递其他类型（例如 float* 或 char*），程序可能会产生编译错误，这是因为 wait() 和 waitpid() 会在 status 指向的内存中写入整数值，用来存储子进程的退出状态。如果指针指向的类型不匹配，内存解释将出错。

上述代码中由于waitpid内部设置为WNOHANG模式，没有子进程返回时直接退出，不阻塞：

需要sleep(1)等待子进程退出后，waitpid才能接收到退出信息：

  // 父进程printf("this is father process,pid is %d\n",getpid());int status;sleep(1);pid_t child_pid = waitpid(-1,&status,WNOHANG);printf("child process has exited,code is %d,pid is %d\n",WEXITSTATUS(status),child_pid);exit(0);

其中WEXITSTATUS是一个宏函数，用于解码退出状态，因为上面讲过，32位status的高8位存储退出状态，所以不能直接引用status查看，而要用一个宏函数进行解码。

📚总结

特性	wait()	waitpid()
等待目标	等待任意子进程的结束	可以指定特定的子进程（通过 `pid` 参数）
阻塞与非阻塞	总是阻塞，直到至少有一个子进程结束	可以通过 `WNOHANG` 使其非阻塞
灵活性	较少灵活性，只能等待任何一个子进程	更灵活，可以等待指定的子进程或进程组
选项	没有额外选项	支持更多控制选项，如 `WNOHANG`
返回值	返回一个子进程的 PID	返回指定子进程的 PID，或者 `-1` 错误
错误处理	如果没有子进程，返回 `-1`	如果没有子进程，返回 `-1`