提示：文章内容较长，请参考目录阅读

这里写目录标题

• 一、进程创建
• • 1.1 了解fork函数
  • 1.2 fork函数内部完成的工作
  • 1.3 用户空间与内核空间
  • 1.4 写时拷贝
  • 1.5 fork的用法——守护进程
• 二、进程终止
• • 2.1 进程终止的场景
  • 2.2 进程常见退出方法
  • 2.3 _exit与exit函数
  • 2.4 关于缓冲区
  • 2.5 atexit函数
• 三、进程等待
• • 3.1 进程等待的意义
  • 3.2 wait
  • • 基本功能
    • 僵尸进程
    • wait程序
  • 3.3 waitpid
  • • 基本功能
    • 程序
  • 3.4 参数status
• 四、进程程序替换
• • 4.1 基础知识
  • 4.2 exec函数族
  • • exec函数族简介
    • execl
    • execlp
    • execle
    • execv
    • execvp
    • execve

一、进程创建

1.1 了解fork函数

Linux中通过调用fork函数来创建一个新进程，创建出来的新进程为子进程，而原先的进程为父进程。
通过man指令查看fork函数：

fork函数返回值有两种情况：

• 创建失败，返回-1
• 创建成功，给父进程返回一个大于0的数，即子进程的进程号；给子进程返回0

1.2 fork函数内部完成的工作

• 分配新的内存块和内核数据结构给子进程
• 将父进程的部分数据结构拷贝至子进程，即拷贝父进程PCB，修改其中的为子进程PID
• 将子进程添加到系统进程列表（双向链表）
• fork返回，开始调度器调度（操作系统开始调度

1.3 用户空间与内核空间

• 内核空间：Linux操作系统和驱动程序都运行在内核空间，所以包括fork在内的系统调用都在内核空间运行
• 用户空间：一般应用程序都运行在用户空间，包括我们写的程序

程序在运行中如果调用了系统函数，就会切换到内核空间，执行完系统函数的程序后，再返回用户空间。

1.4 写时拷贝

使用fork创建子进程后，父子进程代码共享，子进程的PCB和页表都是拷贝父进程的，同一变量的物理地址和虚拟地址的映射关系时一样的，操作系统并没有给子进程单独开辟物理空间。当父子进程任意一方要进行写入时，便会拷贝数据，此时父子进程通过页表映射到不同的物理地址。
如图所示：

1.5 fork的用法——守护进程

• 守护进程，守护进程是运行在后台的一种特殊进程，脱离于终端，可以避免被任何终端所产生的信息所打断。父进程创建子进程，通过进程程序替换让子进程执行真正的业务。
  通过ps axj查看当前运行着的守护进程：
  

二、进程终止

2.1 进程终止的场景

• 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

2.2 进程常见退出方法

正常终止（可以通过echo $?）查看退出码

• main函数返回
• 调用exit
• 调用_exit

异常终止

• 程序崩溃（解引用空指针，内存越界等）
• Ctrl c，终止程序

2.3 _exit与exit函数

使用方法
_exit终止当前进程

exit函数

exit函数的作用也是终止当前进程，并且函数最终会调用_exit函数，但是在调用_exit之前，还做了其他工作：

• 执行用户通过atexit或者on_exit定义的清理函数
• 关闭所有打开的流，冲刷缓冲区

区别
exit与_exit的区别如图所示：

程序演示
用两个程序展示exit与_exit函数的区别

在这个程序中，由于调用了_exit函数，缓冲区的数据没有被冲刷就退出了进程（注意"hello world"后面没有换行符，因为换行符也会冲刷缓冲区），所以运行该程序后没有打印结果：

将程序稍作修改，调用exit函数：

结果正常打印：

因为exit函数在终止进程之前会冲刷缓冲区，所以打印输出了缓冲区中的字符串"hello world!"

2.4 关于缓冲区

• 缓冲区的作用：
  缓冲区由C标准库建立，目的是减少IO次数，因为IO操作比较耗费时间，所以定义了缓冲区，出发刷新缓冲区的条件之后，缓冲区的内容才会继续IO操作（打印输出、将内容写入文件、从文件中读取等）。
• 刷新缓冲区的方式：exit、main函数中的return、fflush、"\n"等
• 缓冲方式：
  全缓冲：缓冲区写满才进行IO
  行缓冲：在输入和输出中遇到"\n"时进行IO操作
  不缓冲：无缓冲区，标准IO库不对字符进行缓冲存储

2.5 atexit函数

atexit函数，注册一个回调函数，在进程终止的时候进行调用（注册回调函数的函数）

程序验证：

三、进程等待

3.1 进程等待的意义

僵尸进程
由于子进程退出时，父进程没有回收子进程的退出信息，可能会造成“僵尸进程”的问题，造成内存泄漏。而进程等待时处理僵尸进程最合理的解决方案。

3.2 wait

基本功能

wait时操作系统提供的函数，包含在头文件中

• 作用：等待退出的子进程，回收子进程退出状态信息
• 函数特性：谁调用谁等待，直到等到子进程退出，发起阻塞之后，需等待函数完成功能才返回。
• 返回值:调用成功返回被等待进程pid，失败则返回-1
• 参数：status是一个输出型参数，在父进程中定义，获取子进程的退出状态

僵尸进程

在学习使用wait前，先回顾僵尸进程，如果子进程先于父进程退出，父进程没有回收子进程的退出状态信息，子进程便成为了僵尸进程，如图：

运行结果：

通过ps aux查看进程状态信息：

wait程序

程序1
在这个程序中，子进程仍然先于父进程退出，但是由于父进程中调用了wait函数进行进程等待，回收了子进程的退出状态信息，所以子进程没有成为僵尸进程，如图：

子进程已经正常退出：

程序2

运行结果：

在子进程运行的30秒中，通过pstack指令查看其父进程正在执行的代码：

通过上面的程序我们为你可以看出，当父进程调用wait函数时，如果子进程没有退出，则父进程会一直等待，直至等到子进程退出为止，这种属性称为阻塞。

3.3 waitpid

基本功能

• 函数功能：进行进程等待
• 返回值：正常调用时返回收集到的子进程的pid;
  设置options为"WNOHANG"时，调用中若没有已退出的子进程可收集，则返回0；
  调用出错，则返回-1；
• 参数：
  pid：-1，表示等待任一子进程；>0，等待进程号与pid值相等j的进程，如：设置pid为10000，则表示只等待进程号为10000的进程。
  status：子进程的退出信息，与wait相同。
  options：可设置为"WNOHANG"，表示若子进程未结束，则不再等待，函数返回0，若子进程正常结束，返回子进程的pid。

程序

程序运行后，通过ps aux查看进程状态：

3.4 参数status

含义
wait和waitpid函数都有参数status，该参数是一个整型，输出型参数。在父进程中定义，将地址传递给子进程，在子进程中可以更改其值，设置退出状态。
status是一个整型，内部不同的位具有不同的含义：

正常终止：退出状态会被设置位退出码
异常终止：终止信号和core dump标志位被设置
根据不同不同比特位所表示的含义，可以通过按位与的方式获得各个信号的值（与’1’进行按位与）。
终止信号：status&0x7F
core dump：(status>>7)&0x1
退出状态：(status>>9)&0xFF
程序

根据(status&0x7f)的值是否为0判断子进程是否为正常终止，为0则表明终止信号未被设置，正常终止，否则便是异常终止

• 正常终止
  程序
  
  运行结果
  
• 异常终止
  程序
  
  运行结果
  

四、进程程序替换

4.1 基础知识

进程替换的原因
父进程创建出来的子进程和父进程拥有相同的代码，因此想要执行不同的程序，就需要让子进程调用程序替换的接口，执行其他程序。
替换原理
调用exec函数进行进程替换并没有创建新的进程，所以进程号没有改变，替换以后，从新程序最开始处执行。并完成两项工作：替换进程的代码和数据段，更新堆栈。

4.2 exec函数族

exec函数族简介

库函数

系统函数

exec函数族中，execve是系统提供的函数，其余均为库函数。
命名规则

• l(list) ：表示参数采用列表，第一个参数是可执行程序本身，各个参数之间用","隔开，并以NULL结尾
• v(vector)：参数采用数组（字符指针数组）
• p(path)：代表自动搜索环境变量PATH
• e(env)：表示自己维护环境变量

execl

execl参数传路径和命令行参数

execlp

execlp会自动搜索PATH环境变量，第一个参数传文件名即可

execle

参数采用列表，需自己维护环境变量

execv

参数采用字符指针数组，需定义指针数组保存命令行参数

execvp

execvp函数参数用数组保存，且会自动搜索PATH环境变量，所以可以不用传递路径

execve

execve是操作系统提供的函数，其他exec函数都是由C标准库提供，通过调用execve实现，execve参数保存在数组，且需要维护环境变量