進程控制是操作系統執行多任務的基礎，核心在於管理進程的完整生命週期。本文將深入探討如何通過 fork 創建、wait 等待及 exec 替換，實現對進程的精準掌控。

一.進程創建

進程創建是進程控制的起點核心，是掌握進程管控的必備基礎：

fork

在之前探索進程的奧秘的博客中也提到過，fork()是Linux中創建子進程的系統調用，調用成功後父進程將與子進程併發執行，共享代碼段，數據段(寫時拷貝)。

應用：①一個進程想執行不同代碼(父進程等待客户請求，生成子進程來處理)②一個進程想要執行不同程序(創建子進程後，進程替換)

vfork

vfork專為快速執行exec替換設計(之後會介紹，exec之後子進程地址空間會被新程序覆蓋，無需獨立內存)，所以它不會(也不需要)發生寫時拷貝，直接與父進程共享地址空間；

二.進程退出

程退出是進程生命週期的關鍵環節，直接關聯進程控制的核心邏輯：

• 懂退出（正常/異常、exit/_exit/信號終止），能精準管控進程終止時機、清理資源、反饋狀態，避免泄漏或數據丟失；
• 掌握退出機制，才能理解父進程 wait/waitpid 等待子進程退出、回收殭屍進程等核心控制操作；

首先，我們要明確進程退出分為三種情況：

• 運行結束，結果完全正確
• 運行結束，結果不正確
• 運行中斷

得到進程運行情況，才能夠更好的定位程序異常、決定後續執行。

退出碼-正常終止

定義：進程終止時返回的狀態標識（0~255整數，int低8位有效），是進程間傳遞終止狀態的極簡方式。

-常見取值含義：0=正常終止；非0=異常終止（如1=通用錯誤、2=參數錯誤、127=命令未找到、128+n=信號終止，自定義碼可標識程序內部異常）。

當運行結束，我們要了解結果是否正確時，需要退出碼。比如我們熟悉的return 0;這就是一種進程退出碼。

命令行查看錯誤碼

echo $? : 保存的是最近一次程序退出時的錯誤碼

就像上圖，錯誤碼能讓我們得知錯誤信息，讓我們處理異常情況；

c語言查看錯誤信息

但是，錯誤碼有很多，我們很難記住每個數字代表的錯誤信息；所以c語言提供了strerror() 可將錯誤碼轉換成錯誤描述：

錯誤碼和錯誤信息是對應關係

//看一段代碼
#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <errno.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
int main() {
    // 故意打開不存在的文件，觸發 errno 賦值
    //errno是全局錯誤變量，當調用失敗後會自動給errno賦值
    int fd = open("nonexist.txt", O_RDONLY);
    if (fd == -1) {
        // strerror 解析 errno 對應的錯誤描述
        printf("打開文件失敗：%s（錯誤碼：%d）\n", strerror(errno), errno);
        return 1;
    }
    close(fd);
    //直接解析指定錯誤碼
    printf("錯誤碼 1：%s\n", strerror(1));   // 通用錯誤
    printf("錯誤碼 127：%s\n", strerror(127)); // 命令未找到
    printf("錯誤碼 255：%s\n", strerror(255)); // 超出範圍時返回通用描述
    return 0;
}

errno

errno是全局變量，需包含頭文件<errno.h>,函數執行失敗時會設置errno對應的錯誤碼；最新一次的錯誤碼將被覆蓋寫入，配合strerror使用(strerror(errno))，查看錯誤信息描述。

退出信號-異常中斷

退出信號是Linux/C語言中觸發程序被動終止的信號類型，屬於信號（Signal[之後博客具體介紹]）的子集，由內核、硬件或其他進程發送，程序接收後若未捕獲處理，會直接強制終止，無主動資源清理過程。

程序出錯導致運行中斷，正常來説此時的退出碼應該是沒有意義的，因為程序異常終止了，不存在結果對不對的情況，此時需要通過退出信號查看中斷原因：但是程序異常中斷，內核會自動設置退出碼，規則為[128 + 信號值]，我們也可以根據退出碼反推信號值。

比如探索進程的奧秘提到過的kill -9 PID，這屬於人為觸發導致異常終止的一種：

作用

• 標識程序異常終止的具體原因（如bug、硬件故障、人為終止）；
• 支持自定義終止邏輯（清理資源、保存數據）；
• 實現進程間/系統與進程的終止管控；
• 輔助快速調試排查故障。

終止程序的兩個函數調用

為了主動控制程序終止的時機與狀態，適配不同場景的終止需求，需要我們能夠在程序任意位置主動觸發終止。

exit()

exit()用於終止程序，屬於c語言標準庫函數<stdlib.h>，核心是主動結束程序運行，切清理資源；在main函數中，exit(0)與return 0看似是一樣的，都是結束程序，返回0(運行成功)；但如果用在函數中，return只會返回到調用函數的上一層，而exit會直接結束進程。

_exit()

_exit()也用於終止程序，但是它屬於系統調用，結束進程之前不會對資源做清理。與exit()一樣，參數將將被作為錯誤碼設置。

三.進程等待

進程等待是進程控制的銜接核心，承接進程創建與退出，是管控進程生命週期、避免系統資源泄漏的關鍵：

1.概念

有一種無法用kill -9直接殺掉進程 —— 殭屍進程(Zombie Process),我們需要有一種方式(進程等待)結束它，進而解決[內存泄漏]問題；同時，子進程結束，我們需要讓父進程關心它的退出情況，瞭解子進程任務完成情況。

進程等待是父進程通過系統調用（ wait() / waitpid() ）等待子進程終止，回收子進程資源、獲取退出狀態的機制，是解決殭屍進程的核心方案，也是父子進程同步的關鍵手段。

2.wait/waitpid的使用

父進程通過wait()/waitpid()進行殭屍進程的回收問題，釋放內存空間；如果子進程不退出(或者還未退出)，父進程默認在wait()時，子進程返回父進程始終不結束；

由上圖可見：waitpid和wait的區別，在於兩個參數pid_t pid和int options;

• pid_t pid 決定等待範圍：waitpid可通過傳pid指定等待特定PID/組的子進程； wait只能用於等任意子進程；
• int options決定阻塞性：wait僅阻塞；waitpid設WNOHANG可非阻塞，不卡父進程——等待子進程的同時時，父進程會執行自己的代碼，只是在間隔時間內不斷檢查waipid等待情況。
• 複用性：wait一次只回收1個；waitpid循環+WNOHANG可批量回收所有子進程（等待完多個子進程後結束循環，父進程最後一個退出）。
• 核心場景：簡單回收用wait，精準/非阻塞/批量回收用waitpid。

關於status的具體介紹

status作為輸出型參數，是int類型，低16位存退出狀態，分兩部分解析：

3.阻塞輪詢

對於上文介紹到的int options決定性阻塞，即getpid(id,&status,WNOHANG)第三個參數，這種以非阻塞形式等待子進程的過程也被稱為：阻塞輪詢。

四.進程替換

進程替換是進程控制的核心之一，可讓子進程執行新程序，是Shell等工具實現多任務的關鍵。

1.程序替換

程序替換：指進程通過exec系列函數，用新程序的代碼段、數據段、堆棧(核心執行區)覆蓋自身，丟棄原有代碼數據，轉而執行新程序，進程PID不變。

當使用exec系列函數時，會發生進程替換(頁表重新映射物理地址)的過程，導入新的代碼數據。

2.庫函數 exec系列接口

exec函數僅替換當前進程代碼/數據/堆棧，PID不變，成功無返回，失敗返-1，需配合fork使用避免主進程終止。

列表式

~execl

示例:execl("/bin/ls", "ls", "-l", NULL); ——執行ls -l（全路徑）

(ls可以代選項，因為ls的main函數有自己的命令行參數，進程替換後，完全從執行ls的main函數開始執行新的代碼)

當然，所替換程序也可以是自己的可執行程序,比如：

//生成a.out可執行程序
#include<stdio.h>
#include<unistd.h>
#include<sys/types.h>
#include<sys/wait.h>
int main()
{
    pid_t id = fork();
    if(id == 0)
    {
        execl("./test","test",NULL);//進程替換
        printf("進程替換後，子進程執行新代碼\n");
    }
    wait(NULL);
    return 0;
}

//形成test可執行程序
#include<stdio.h>
int main()
{
    printf("進程已被替換\n");
    printf("hello execl\n");
}

~execlp

execlp("ls", "ls", "-l", NULL);//第一個參數不需要寫路徑，只需要寫程序名
execlp("a.out", "a.out", NULL);//若a.out在PATH目錄（如/usr/bin）則生效

為什麼execl 稱為列表形式？

因參數需要逐個羅列傳遞，以NULL首尾；而非打包成數組批量傳遞，故被稱為列表式(' l '為後綴(list))。

數組式

~execv與 execvp

execv與execvp與execl系列只改變了傳參的形式(數組式，'v'為後綴(vector)):

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/wait.h>
int main() {
    pid_t pid = fork();
    if (pid == 0) {
        // 參數數組：命令名+選項，NULL結尾
        char *argv[] = {"ls", "-l", NULL};
        // 1.路徑：/bin/ls；2.參數數組首地址
        execv("/bin/ls", argv);//替換自己的程序同理
         //execvp("ls", argv);//execvp同理
        perror("execv fail"); // 替換失敗才執行
    }
    wait(NULL); // 父進程等待
    return 0;
}

execle

環境變量問題

當我們用一個進程去調用另一個進程時，不傳環境變量，main函數也能正常運行，為什麼？

環境變量也是數據，創建子進程時，環境變量就已經被子進程繼承下去了[extern char* environ]；所以進程替換中，環境變量信息不會被替換。

所以我們想給子進程傳遞環境變量應該怎麼做？(新增 / 徹底替換)

• 新增：

• 在父進程中用putenv引入新的環境變量，子進程能夠繼承下去。
• execle傳environ(系統默認環境變量)，會連同putenv新增的一起傳下去

• 徹底替換：

• 使用execle傳自定義環境變量。

execle同之前的分析後綴含義：

• l=列表傳參
• 無p=需寫全路徑。
• e=自定義環境

核心區別：替換進程同時，用自定義環境變量覆蓋默認環境，參數末尾需跟環境數組+NULL收尾。

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
int main() {
    extern char **environ;//聲明
    //給調用進程添加環境變量-添加到調用進程的上下文
    putenv("PRIVATE_ENV=6666666");
    
    pid_t id = fork();
    if(id == 0)
    {
    	// 自定義環境變量數組
    	char *const myenv[] = { "MYVAL=77777","MYPATH=/bin",NULL};                                                      // 進程替換，指定自定義環境
    	//完全替換
		execle("./otherExe","otherExe","-a","-b","-c",NULL,myenv);//傳自定義環境變量

	    //新增環境變量- putenv在父進程新增環境變量，會被子進程繼承下去
	    execle("./otherExe","otherExe","-a","-b","-c",NULL,environ);//可傳環境變量

    }
    wait(NULL);
    return 0;
}

execvpe

接口總結

3.系統調用 execve

有了以上六個庫函數的學習，系統調用接口execve也很好理解：

庫函數在底層都要調用系統調用接口，即：之前六個庫函數底層全部是調用execve實現進程替換。

4.總結

替換原理

Linux形成的可執行程序，存在EFL可執行文件表頭(ELF Header)：保存文件起始處的元數據，在內核加載時優先讀取，描述整個可執行文件的核心信息——其中可執行程序的入口地址就被存在表頭中，當進程替換髮生時，表頭會被重新加載，因此CPU能找到找到新程序的入口，從新開始執行程序。

在底層，exec* 系列充當一個加載器的作用，導入磁盤中的數據，讀取指定的新可執行程序的(ELF文件)，解析格式，將其加載映射到進程用户地址空間，再跳轉到程序入口執行，完成靜態文件到運行程序的轉換。

跨語言調用

在進程替換中，我們可以替換系統命令，也可以替換我們自己的C/C++程序，但是如果我們嘗試用exec*調用Java，腳本，exe程序呢?發現也能調用成功；

這就不得不提，exec* 用於進程替換，所有語言寫成的程序，運行起來本質都是進程，可以被exec* 替換，從而實現跨語言調用。

五.進程替換總結

1. 進程創建：fork()複製父進程生成子進程，共享代碼段，數據段獨立，繼承父進程資源，PID唯一。
2. 進程終止：正常終止（exit()/_exit()）、異常終止（信號），釋放用户資源，內核資源等待回收。
3. 進程等待：wait()/waitpid()回收子進程資源，避免殭屍進程，獲取子進程退出狀態（退出碼、終止信號）。
4. 進程替換：exec系列函數加載新ELF程序，覆蓋當前進程用户態核心區，保留PID等內核資源，實現程序切換。
5. 核心目的：實現多程序併發執行、資源複用，協調進程生命週期，保障系統穩定高效運行。