Linux进程控制怎么学？四个核心API详解

在现代计算中，操作系统负责管理硬件资源并为应用程序提供一个稳定的运行环境。Linux作为一种广泛使用的类Unix操作系统，它的进程管理功能至关重要。

Linux提供了强大的进程控制机制和接口，帮助我们管理进程的生命周期、资源分配和调度。在这篇博客中，我们将深入探讨Linux进程控制的基础知识以及从四个方面（进程创建、进程终止、进程等待、进程程序替换）介绍常用的进程控制相关API接口，帮助大家更好地理解和掌握Linux系统中的进程控制技术。

一、什么是进程控制

进程控制是操作系统中管理和调度进程的关键功能，涉及到进程的创建、终止、等待、程序替换以及进程间通信等多个方面，简而言之，进程控制确保操作系统能够有效地管理并协调不同程序的执行。

对于我们而言，要对进程进行相关操作，就要深入理解操作系统对进程的控制机制，并熟悉Linux下进程控制的相关接口。

二、进程创建

在Linux下，我们通常使用fork函数完成进程的创建。创建后的新进程称之为子进程，而当前进程叫做父进程。

博主已经在以下两篇文章中，对进程创建的底层原理、fork的使用方法、注意事项以及写时拷贝的原理进行了详细的讲解，大家参阅这两篇文章即可，这里就不再复述。

三、进程终止（进程退出）

一个进程在做完相应工作后，需要执行“终止”操作，其本质是释放进程的task_struct及其对应的代码和数据。

进程终止的常见情况有四种：

1.main函数返回

2. 调用_exit()退出

3.调用exit()退出

4. 给进程发送信号（如kill()、ctrl + c）

前三种情况都用于当前正在执行的进程退出，属于进程的正常退出，而最后一种专门用于杀死其他进程，属于异常退出。

本文博主会详细介绍前三种退出方法的使用及其原理，至于最后一种，博主后续会结合信号一起讲解。

退出码

进程退出时，都会返回一个“退出码”，它本质是一个整数，用于表示程序的执行情况。

例如，我们在VSCode终端输入指令时，可以看出它是否执行成功，本质就是通过识别对应程序的退出码来完成的：

不同的退出码，所表示的退出状态也不尽相同。只有退出码为0时，表示成功执行，且执行的结果正确，其他退出码均表示执行失败或结果不符合预期，原因各异。

以下是常见的退出码所表示的执行情况：

注意：

要将“程序成功执行”和“程序执行的结果正确”区分开，退出码非0并不代表程序一定是异常退出的，也有可能成功执行，但结果不符合预期。而异常退出是说程序执行时遇到异常，直接终止了，没有符不符合预期的概念了。

如下指令可以打印最近执行结束的程序的退出码，便于我们判断退出状况：

echo $?

main函数返回

main函数return返回是最常见的进程退出方法，再程序执行完毕后，使用return返回即可。main函数的返回值即是程序的退出码。

_exit()

_exit() 是一个系统调用，当程序执行到调用处时，会直接退出。

它的函数原型如下：

#include <unistd.h>

void _exit(int status);

参数status表示程序的退出码，当出现错误，我们可以使用该接口配合退出码退出程序。

_exit是一种低级的退出操作，退出时不会进行任何其他处理，只会返回退出码，所以一般是用于多进程编程时的子进程错误退出。

注：传入的退出码虽然类型为int，但退出码的取值范围是0~255，所以只会取int的最低8位。

exit()

exit() 是c标准库的函数，包含在<stdlib.h>头文件中，相比_exit更加常用。

其函数原型：

#include <stdlib.h>

void exit(int status);

参数status也表示程序退出码。

实际上，exit的底层调用了_exit，不过在退出之前做了一系列清理工作，例如刷新I/O 缓冲区，确保所有的输出数据都被写入到相应的文件或终端、关闭文件描述符、间接释放动态分配的内存等。

测试

接下来我们做一段测试，写一个简单的程序，调用exit退出，并将50作为退出码，然后在命令行打印退出码：

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

int main()
{
    printf("hello world\n");
    exit(50);
}

执行程序并打印退出码：

可以看到，程序打印后退出，并且返回了退出码50。

四、进程等待

在之前的文章中提到，一个子进程在退出后，需要父进程回收资源，如果父进程一直不回收，那么子进程的PCB就会一直存在，导致出现僵尸进程。另外进程退出时返回的退出码需要被父进程获取，才能判断子进程的执行情况。

因此，“进程等待”的作用是：

1. 回收子进程，释放子进程的资源（必须完成）

2. 获取子进程的退出信息（可选）

在Linux下，我们通常使用wait和waitpid进行进程等待。

wait

wait是一个函数，在父进程中使用，作用是等待子进程退出后，回收子进程资源，并获取子进程的退出码与其他退出状态。

它的函数原型如下：

#include <sys/wait.h>

pid_t wait(int *status);

参数status：是一个输出型参数，表示子进程的退出信息。具体细节在waitpid之后统一介绍。

返回值：如果回收成功，返回子进程的PID。如果失败，返回 -1。

如果父进程有多个子进程，那么wait就会等待任意一个子进程。

注意：

调用wait等待子进程时，如果此时子进程还在执行自己的程序，并未退出，那么父进程就会一直阻塞在wait的调用处，直到子进程退出，再执行后续代码。

waitpid

相比wait，函数waitpid的功能更加丰富，因此也更加常用。

它的函数原型如下：

#include <sys/wait.h>

pid_t waitpid(pid_t pid, int *stat_loc, int options);

参数pid：如果传入-1，会等待任意子进程（有多个子进程的情况下）；如果传入一个大于0的数，表示专门等待子进程PID为pid的子进程。

参数stat_loc：输出型参数，表示子进程的退出信息。具体细节稍后介绍。

参数options：通常传入0，表示阻塞等待（即子进程退出之前阻塞）。如果传入宏WNOHANG，则表示：若子进程还未退出，不等待，直接返回0（可以配合循环进行多次的非阻塞轮询，非阻塞轮询期间的空闲时间可以被利用，让父进程完成自己的任务）。

返回值：如果回收成功，返回子进程的PID。如果失败（例如没有对应的pid），返回 -1。如果第三个参数传WNOHANG并且子进程还未退出，返回0。

注意事项

1. 调用wait/waitpid时，如果子进程已经退出而没有被回收，那么函数会立即返回，释放子进程资源，获取退出信息。

2. 调用wait/waitpid时，如果子进程已经被回收，那么就会等待失败，立即返回 -1。

3.如果父进程不调用wait或waitpid，子进程在退出后会变成僵尸进程。

wait和waitpid的输出型参数

wait和waitpid都有一个输出型参数，都用于表示子进程的退出信息。这个信息并不只是单纯的退出码，其中还包含了收到信号导致退出时的信号编号、退出方式等信息。当然，这些东西具体是什么，我们无需关心，后续在讲解信号时博主会进行分析。现在我们终点关注的是：输出型参数只是一个整数，却包含了多种信息，那势必要对其进行划分，我们了解了划分方式，才能从其中提取出退出信息。

它的划分方式如下：

1. 如果子进程正常退出，那么输出型参数的0~7位全为0，8~15位是退出码；

2. 如果子进程异常退出，那么输出型参数0~6位表示信号编号，第7位表示异常退出方式，8~15位的数据没有使用价值。

获取到输出型参数后，我们可以进行相应的位运算处理，得到退出码或者其他信息。当然，有几个宏可以帮助我们直接求出退出码等信息（传入输出型参数的值即可）：

• WIFEXITED() 用于判断子进程是否是正常退出。
• WEXITSTATUS() 可以求出退出码。
• WTERMSIG() 可以求出异常退出时的信号编号。

当然，如果我们不关心子进程的退出状况，可以在输出型参数位置传NULL。

父进程回收子进程，并获取子进程退出信息的过程：子进程退出时，其退出信息会存入其PCB中，当被父进程回收时，在子进程PCB中读取，然后释放子进程的PCB。

五、进程程序替换

进程程序替换指的是一个进程在运行过程中，用新的程序代码替换当前执行的代码，然后执行新程序的代码。如果我们创建了一个进程，想要这个进程执行一个全新的程序，就可以使用进程程序替换。

发生进程替换后，PCB的内容不变，也没有创建新的进程，而是当前进程对应物理内存中的代码、数据、堆区栈区全部被目标代码和数据覆盖。

进程替换相关接口

Linux下，实现进程替换最常用的是exec系列函数，一共有六个：

#include <unistd.h>

int execl(const char *path, const char *arg, ...);
int execlp(const char *file, const char *arg, ...);
int execle(const char *path, const char *arg, ..., char * const envp[]);
int execv(const char *path, char *const argv[]);
int execvp(const char *file, char *const argv[]);
int execvpe(const char *file, char *const argv[], char *const envp[]);

这六个函数都是用于替换当前程序的代码和数据，只是传参方式有所不同，功能略有差别。

首先介绍一下它们的返回值：

• 如果替换成功，直接执行新代码，后续的原代码已经被替换，不再执行，因此没有返回值。
• 如果替换失败，返回 -1。

所以对于exec系列函数，无需检查其返回值，因为只要返回就失败。

再来谈谈它们的参数：

1. 上述函数中，叫做path的参数，一律传入的是一个字符串，表示目标程序的路径+程序名。

2. 叫做file的参数，一律传入目标程序的程序名（路径会自动到环境变量PATH中查找）。

3. 叫做arg的参数，是一个可变参数，一个一个地传入目标程序的命令行参数字符串（注意程序名算第一个命令行参数；最后一个命令行参数须是NULL）。当然，如果不需要使用其他的命令行参数，只需传一个程序名和一个NULL即可。

4. 叫做argv[]的参数，将指向所有命令行参数字符串的指针数组的数组名传入（注意程序名算第一个命令行参数；指针数组的最后一个元素须是NULL），也就是传命令行参数的另一种方式。

5. 带有参数envp[]的函数，表明替换的进程要使用该函数传入的全新的环境变量。因此，该参数处要传入指向所有环境变量字符串的指针数组的数组名（注意环境变量格式是"环境变量=值"；指针数组的最后一个元素须是NULL）。

以上七个函数的名字十分相似，容易混淆，但其实它们也有规律，博主给大家列出来方便记忆：

• 1. 函数名带"l"的，表示命令行参数要一个个地传入；而带"v"的表示命令行参数要用指针数组的方式传入。
• 2. 函数名带"p"的表示目标程序不用带路径，会自动在PATH中查找。
• 3. 函数名带"e"的表示可以给目标程序设置新的环境变量。

当然，除了这六个函数，还有一个系统调用execve，使用方法和execvpe完全相同。原型如下：

#include <unistd.h>

int execve(const char *filename, char *const argv[], char *const envp[]);

写一个简单的调用示例，看看这些函数的调用区别：

#include <unistd.h>

int main()
{
    //假如要将程序替换为/usr/bin路径下的ls指令，并加上选项-l
    //并且对于支持修改环境变量的函数，修改环境变量PATH
    
    char* const argv[] = {"ls", "-l", NULL};
    char* const envp[] = {"PATH=/usr/bin", NULL};

    execl("/usr/bin/ls", "ls", "-l", NULL); // 带l要一个个传入命令行参数

    execlp("ls", "ls", "-l", "NULL"); // 带p不用传路径

    execle("usr/bin/ls", "ls", "-l", NULL, envp); // 带e要传环境变量表

    execv("/usr/bin/ls", argv); // 带v要用指针数组传入命令行参数

    execvp("ls", argv); // 带p不用传路径；带v用指针数组传命令行参数

    execvpe("ls", argv, envp); // 带p不用传路径；带v用指针数组传命令行参数；带e要传环境变量表

    execve("ls", argv, envp);
    return 0;
}

实际上，exec系列接口中，六个标准库函数底层都封装了系统调用execve，只是产生了多种形式使得传参和功能更加多样化。

总结

本篇文章，我们学习了进程控制的概念及进程创建、进程终止、进程等待和进程程序替换的相关Linux常用接口，学习了这些接口，想必大家能够更好地理解和掌握Linux系统中的进程控制技术。

当然，进程控制还包括进程间通信，但这部分的知识涉及文件IO相关的内容，后续博主会给大家详细讲解。接下来博主会和大家一起，结合这些接口的使用方法及进程控制思想，写一个简单的Shell命令行程序。

以上为个人经验，希望能给大家一个参考，也希望大家多多支持脚本之家。

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