【Linux操作系统】深入探索Linux进程：创建、共享与管理

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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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。

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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。

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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。

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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。

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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。

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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。