引言

進程是Linux系統中最重要的抽象概念之一，理解進程控制是掌握Linux系統編程的核心。本文將深入探討Linux進程的創建、管理、通信和回收機制，通過實際代碼示例揭示進程控制的底層原理。

一、進程的誕生：fork()系統調用

1.1 fork()的工作原理

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>

int main() {
pid_t pid = fork();

if (pid < 0) {
// 錯誤處理
perror("fork failed");
return 1;
} else if (pid == 0) {
// 子進程代碼
printf("子進程PID: %d, 父進程PID: %d\n", getpid(), getppid());
} else {
// 父進程代碼
printf("父進程PID: %d, 創建的子進程PID: %d\n", getpid(), pid);
}

return 0;
}

關鍵理解點：

  • fork()創建的子進程是父進程的完整副本（包括代碼、數據、堆棧）
  • 父子進程通過寫時複製（Copy-On-Write） 技術高效共享內存
  • fork()返回兩次：父進程返回子進程PID，子進程返回0

1.2 vfork()的特殊場景

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>

int main() {
int var = 100;
pid_t pid = vfork();

if (pid == 0) {
// 子進程優先執行
var++;
printf("子進程修改變量: %d\n", var);
_exit(0);// 必須使用_exit()，避免刷新父進程緩衝區
} else {
printf("父進程獲取變量值: %d\n", var);
}

return 0;
}

vfork()與fork()的區別：

  • vfork()創建的子進程共享父進程地址空間
  • 子進程優先執行，父進程阻塞直到子進程_exit()或exec()
  • 現代Linux中，vfork()通過寫時複製的fork()實現，但仍保持特殊語義

二、進程的蜕變：exec()函數族

2.1 exec的六種變體

#include <unistd.h>
#include <stdio.h>

int main() {
// 示例1：使用execl執行ls命令
printf("準備執行ls命令...\n");
execl("/bin/ls", "ls", "-l", "-a", NULL);

// 如果exec成功，下面代碼不會執行
perror("exec失敗");
return 1;
}

exec函數族分類：

  • 帶l的函數：參數列表（execl, execlp, execle）
  • 帶v的函數：參數向量（execv, execvp, execve）
  • 帶p的函數：自動搜索PATH環境變量
  • 帶e的函數：可指定環境變量

2.2 exec與fork的經典組合

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/wait.h>

void execute_command(const char* cmd, char* const args[]) {
pid_t pid = fork();

if (pid == 0) {
// 子進程：執行命令
execvp(cmd, args);
perror("execvp失敗");
_exit(1);
} else if (pid > 0) {
// 父進程：等待子進程
int status;
waitpid(pid, &status, 0);

if (WIFEXITED(status)) {
printf("命令執行完成，退出碼: %d\n", WEXITSTATUS(status));
}
}
}

int main() {
char* ls_args[] = {"ls", "-l", NULL};
execute_command("ls", ls_args);

return 0;
}

三、進程的等待與回收

3.1 wait()與waitpid()詳解

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/wait.h>

void wait_demo() {
pid_t pids[3];

for (int i = 0; i < 3; i++) {
pids[i] = fork();

if (pids[i] == 0) {
// 子進程
printf("子進程 %d 開始\n", getpid());
sleep(i + 1);// 每個子進程睡眠時間不同
printf("子進程 %d 結束\n", getpid());
exit(i);// 退出碼為i
}
}

// 父進程：等待所有子進程
int status;
pid_t pid;

while ((pid = waitpid(-1, &status, 0)) > 0) {
if (WIFEXITED(status)) {
printf("子進程 %d 正常退出，退出碼: %d\n",
pid, WEXITSTATUS(status));
} else if (WIFSIGNALED(status)) {
printf("子進程 %d 被信號終止，信號: %d\n",
pid, WTERMSIG(status));
}
}
}

關鍵選項：

  • WNOHANG：非阻塞等待
  • WUNTRACED：報告已停止的子進程
  • WCONTINUED：報告已繼續的子進程

3.2 避免殭屍進程

#include <signal.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/wait.h>

// SIGCHLD信號處理器
void sigchld_handler(int sig) {
int saved_errno = errno;

while (waitpid(-1, NULL, WNOHANG) > 0) {
// 循環回收所有已終止的子進程
}

errno = saved_errno;
}

int main() {
// 設置SIGCHLD處理器
struct sigaction sa;
sa.sa_handler = sigchld_handler;
sigemptyset(&sa.sa_mask);
sa.sa_flags = SA_RESTART | SA_NOCLDSTOP;

if (sigaction(SIGCHLD, &sa, NULL) == -1) {
perror("sigaction");
exit(1);
}

// 創建子進程
for (int i = 0; i < 5; i++) {
if (fork() == 0) {
printf("子進程 %d 運行中...\n", getpid());
sleep(1);
exit(0);
}
}

// 父進程繼續執行其他任務
while (1) {
printf("父進程工作...\n");
sleep(2);
}

return 0;
}

四、進程間通信（IPC）機制概覽

4.1 各種IPC方式對比

機制

適用範圍

特點

複雜度

管道(pipe)

父子進程

單向流，有血緣關係

低

命名管道(FIFO)

任意進程

文件系統可見

中

消息隊列

任意進程

結構化的數據

中

共享內存

任意進程

最快的方式

高

信號量

任意進程

進程同步

中

信號

任意進程

異步通知

低

套接字

任意進程

網絡和本地通信

高

4.2 管道使用示例

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>

int main() {
int pipefd[2];
pid_t pid;
char buffer[100];

// 創建管道
if (pipe(pipefd) == -1) {
perror("pipe");
return 1;
}

pid = fork();

if (pid == 0) {
// 子進程：寫入數據
close(pipefd[0]);// 關閉讀端

const char* msg = "Hello from child process!";
write(pipefd[1], msg, strlen(msg) + 1);
close(pipefd[1]);

exit(0);
} else {
// 父進程：讀取數據
close(pipefd[1]);// 關閉寫端

ssize_t n = read(pipefd[0], buffer, sizeof(buffer));
if (n > 0) {
printf("收到子進程消息: %s\n", buffer);
}

close(pipefd[0]);
wait(NULL);// 等待子進程
}

return 0;
}

五、進程狀態與管理

5.1 進程狀態轉換圖

新建(NEW) → 就緒(READY) ↔ 運行(RUNNING) → 退出(TERMINATED)
↑↓
└──── 阻塞(WAITING)

5.2 進程控制命令示例

# 查看進程樹
pstree -p

# 查看進程狀態
ps aux --sort=-%cpu | head -10

# 實時監控
top -p 1234

# 發送信號
kill -TERM 1234# 終止信號
kill -STOP 1234# 暫停進程
kill -CONT 1234# 繼續進程

# 優雅終止
kill -HUP 1234# 重載配置

六、實戰：簡易Shell實現

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/wait.h>

#define MAX_INPUT 1024
#define MAX_ARGS 64

void parse_input(char* input, char** args) {
int i = 0;
char* token = strtok(input, " \t\n");

while (token != NULL && i < MAX_ARGS - 1) {
args[i++] = token;
token = strtok(NULL, " \t\n");
}
args[i] = NULL;
}

int execute_command(char** args) {
if (args[0] == NULL) {
return 1;// 空命令
}

// 檢查內置命令
if (strcmp(args[0], "exit") == 0) {
exit(0);
}

if (strcmp(args[0], "cd") == 0) {
if (args[1] == NULL) {
fprintf(stderr, "cd: 缺少參數\n");
} else if (chdir(args[1]) != 0) {
perror("cd失敗");
}
return 1;
}

// 外部命令
pid_t pid = fork();

if (pid == 0) {
// 子進程
execvp(args[0], args);
perror("命令執行失敗");
exit(1);
} else if (pid > 0) {
// 父進程
int status;
waitpid(pid, &status, 0);

if (WIFEXITED(status)) {
return WEXITSTATUS(status);
}
} else {
perror("fork失敗");
}

return 1;
}

int main() {
char input[MAX_INPUT];
char* args[MAX_ARGS];

while (1) {
printf("myshell> ");
fflush(stdout);

if (!fgets(input, MAX_INPUT, stdin)) {
break;// 讀取失敗或EOF
}

parse_input(input, args);

if (args[0] != NULL) {
execute_command(args);
}
}

return 0;
}

七、高級話題：進程組和會話

7.1 進程組控制

#include <unistd.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>

int main() {
pid_t pid;

for (int i = 0; i < 3; i++) {
pid = fork();

if (pid == 0) {
// 所有子進程在同一進程組
if (i == 0) {
// 第一個子進程成為組長
setpgid(0, 0);
} else {
// 其他子進程加入該組
setpgid(0, getpid());
}

printf("進程 %d 在進程組 %d 中\n",
getpid(), getpgid(0));
sleep(10);
exit(0);
}
}

// 父進程
sleep(1);

// 向整個進程組發送信號
kill(-getpgid(pid), SIGTERM);

return 0;
}

總結與最佳實踐

關鍵要點：

  1. 進程創建：理解fork()的寫時複製機制
  2. 進程執行：掌握exec函數族的正確用法
  3. 進程回收：正確處理殭屍進程，使用waitpid()非阻塞選項
  4. 錯誤處理：所有系統調用都必須檢查返回值
  5. 資源清理：確保關閉所有不需要的文件描述符
  6. 信號安全：在信號處理器中使用異步信號安全的函數

性能建議：

  • 避免頻繁的進程創建，考慮使用線程或進程池
  • 合理選擇IPC機制：數據量大用共享內存，簡單通信用管道
  • 使用進程組管理相關進程，便於批量操作

安全注意事項：

  • 最小權限原則：進程以最小必要權限運行
  • 輸入驗證：特別是exec()的參數需要嚴格驗證
  • 資源限制：使用setrlimit()限制進程資源使用

掌握Linux進程控制是系統編程的基石，理解這些原理不僅能編寫更穩定的程序，還能更有效地調試和優化系統性能。實踐是最好的學習方法，建議讀者動手實現文中所有示例代碼，並嘗試擴展功能。