Linux 進程編程核心：fork、wait 和 exec 深度解析

作者：深度Linux 2025-03-28 12:00:00

在進程編程中，fork、wait和exec是三個非常關鍵的函數，它們分別用于創建新進程、等待子進程結束和執行新的程序。接下來，我們將深入探討這三個函數的用法和原理。

在 Linux 系統中，進程是程序的一次執行過程，是操作系統進行資源分配和調度的基本單位。每個進程都有自己獨立的地址空間、文件描述符、寄存器等資源，操作系統通過進程控制塊（PCB，在 Linux 內核中用task_struct結構體表示）來管理進程的相關信息。

進程在操作系統中扮演著至關重要的角色，它是操作系統實現多任務處理的基礎。通過進程，操作系統可以同時運行多個程序，提高系統的利用率和響應速度。例如，當我們在 Linux 系統中打開多個終端窗口，每個終端窗口都可以看作是一個獨立的進程，它們可以同時執行不同的命令，互不干擾。

一、進程創建：fork函數解析

1. fork 函數基礎

fork函數是 Linux 系統中用于創建新進程的系統調用，其定義在<unistd.h>頭文件中，原型為pid_t fork(void);。這里的pid_t是一種數據類型，用來表示進程 ID。fork函數的功能非常強大，它會創建一個與調用進程（即父進程）幾乎完全相同的新進程，這個新進程被稱為子進程。

子進程會復制父進程的代碼段、數據段、堆、棧等資源，擁有自己獨立的進程 ID（PID），但與父進程共享一些資源，如打開的文件描述符。簡單來說，就像是父進程克隆了一個自己，這個克隆體（子進程）有著與父進程相似的 “外貌”（資源），但又有自己獨特的 “身份標識”（PID）。

2. fork 的返回值與執行邏輯

fork函數的一個獨特之處在于它會返回兩次，一次是在父進程中，一次是在子進程中。在父進程中，fork返回子進程的 PID；在子進程中，fork返回 0。如果fork函數執行失敗，它會返回 - 1，并設置errno來指示錯誤原因。這種不同的返回值為區分父子進程提供了依據，就像是給父子進程分別發放了不同的 “通行證”，讓它們可以在后續的代碼中走不同的路徑。

下面通過一段簡單的 C 代碼來展示fork函數的返回值和執行邏輯：

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

int main() {
    pid_t pid;

    // 調用fork函數創建子進程
    pid = fork();

    // 判斷fork的返回值
    if (pid < 0) {
        // fork失敗
        perror("fork error");
        exit(EXIT_FAILURE);
    } else if (pid == 0) {
        // 子進程
        printf("I am the child process, my pid is %d, my parent's pid is %d\n", getpid(), getppid());
    } else {
        // 父進程
        printf("I am the parent process, my pid is %d, and my child's pid is %d\n", getpid(), pid);
    }

    return 0;
}

在這段代碼中，首先調用fork函數創建子進程。然后根據fork的返回值判斷當前是父進程還是子進程。如果返回值小于 0，說明fork失敗，輸出錯誤信息并退出程序；如果返回值為 0，說明是子進程，輸出子進程的 PID 和父進程的 PID；如果返回值大于 0，說明是父進程，輸出父進程的 PID 和子進程的 PID。

運行這段代碼，你會看到類似如下的輸出：

I am the parent process, my pid is 12345, and my child's pid is 12346
I am the child process, my pid is 12346, my parent's pid is 12345

從輸出結果可以清晰地看到父子進程的 PID 以及它們的執行路徑。

3. 寫時復制機制

在早期的操作系統中，當使用fork創建子進程時，會直接將父進程的所有內存空間完整地復制給子進程，這在內存使用和性能上都存在很大的問題，尤其是對于大型程序來說，復制大量內存數據會消耗大量時間和內存資源。為了解決這個問題，Linux 引入了寫時復制（Copy - On - Write，COW）技術。

寫時復制的原理是，在fork創建子進程時，內核并不立即復制父進程的整個地址空間，而是讓父進程和子進程共享同一個物理內存拷貝，同時將這些共享內存頁標記為只讀。只有當父子進程中的某一個試圖對共享內存頁進行寫操作時，才會觸發缺頁異常，此時內核會為需要寫入的進程創建該內存頁的一個新副本，然后將新副本的權限設置為可寫，進程再對新副本進行寫操作。

例如，假設父進程有一個數據段，其中包含一個變量x，值為 10。在fork創建子進程后，父子進程共享這個數據段的物理內存頁。當父進程或者子進程想要修改x的值時，就會觸發寫時復制機制。內核會為執行寫操作的進程創建一個新的數據段內存頁，將原內存頁的數據復制到新頁，然后在新頁上進行寫操作。這樣，另一個進程的數據段仍然保持不變，實現了數據的獨立修改。

寫時復制機制帶來了很多優勢：一方面，它顯著提高了fork操作的效率，因為不需要在創建子進程時立即復制大量內存數據，減少了創建子進程的時間開銷；另一方面，它有效地節省了內存資源，尤其是在父子進程共享大量數據且大部分數據不需要修改的情況下，避免了不必要的內存復制。

二、進程等待：wait函數解析

1. wait 函數作用

在 Linux 進程編程中，wait函數是一個非常重要的函數，它用于父進程等待子進程結束。當父進程調用wait函數時，會發生以下事情：首先，父進程會被阻塞，暫停執行，直到它的一個子進程結束；然后，wait函數會回收子進程的資源，包括釋放子進程占用的內存空間、關閉子進程打開的文件描述符等；最后，wait函數還會獲取子進程的退出狀態，讓父進程了解子進程是如何結束的，比如是正常退出還是異常終止。

wait函數對于資源回收和避免僵尸進程的產生具有至關重要的意義。在 Linux 系統中，每個進程都占用一定的系統資源，如果父進程創建了子進程后，不等待子進程結束并回收其資源，子進程就會變成僵尸進程。僵尸進程雖然已經結束運行，但它的進程控制塊（PCB）仍然保留在系統中，占用系統資源，長期積累會導致系統資源浪費和性能下降。通過wait函數，父進程可以及時回收子進程的資源，避免僵尸進程的出現，確保系統的穩定運行。

2. wait 函數原型與參數

wait函數的原型定義在<sys/types.h>和<sys/wait.h>頭文件中，具體原型為pid_t wait(int *status);。其中，pid_t是一種數據類型，用于表示進程 ID；status是一個指向整數的指針，用于存儲子進程的退出狀態信息。

如果status為NULL，表示父進程不關心子進程的退出狀態，只希望等待子進程結束并回收其資源。如果status不為NULL，wait函數會將子進程的退出狀態信息存儲在status指向的整數中。通過一些宏定義，可以從這個整數中解析出子進程的具體退出情況。常用的宏有：

WIFEXITED(status)：用于判斷子進程是否正常退出，如果正常退出返回非零值。
WEXITSTATUS(status)：當WIFEXITED(status)為真時，通過這個宏可以獲取子進程正常退出時的返回值。
WIFSIGNALED(status)：判斷子進程是否是因為收到信號而異常終止，如果是返回非零值。
WTERMSIG(status)：當WIFSIGNALED(status)為真時，通過這個宏可以獲取導致子進程異常終止的信號編號。

3. wait 函數應用示例

下面通過一段代碼示例來展示wait函數的具體應用：

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

int main() {
    pid_t pid;
    int status;

    // 創建子進程
    pid = fork();
    if (pid < 0) {
        perror("fork error");
        exit(EXIT_FAILURE);
    } else if (pid == 0) {
        // 子進程
        printf("I am the child process, my pid is %d\n", getpid());
        sleep(2);  // 模擬子進程執行一些任務
        exit(3);  // 子進程正常退出，返回值為3
    } else {
        // 父進程
        printf("I am the parent process, my pid is %d, and my child's pid is %d\n", getpid(), pid);
        // 等待子進程結束
        wait(&status);
        if (WIFEXITED(status)) {
            printf("The child process exited normally, exit status is %d\n", WEXITSTATUS(status));
        } else if (WIFSIGNALED(status)) {
            printf("The child process was terminated by a signal, signal number is %d\n", WTERMSIG(status));
        }
    }

    return 0;
}

在這段代碼中，首先使用fork函數創建子進程。子進程打印自己的 PID，然后睡眠 2 秒，最后以返回值 3 正常退出。父進程打印自己和子進程的 PID，然后調用wait函數等待子進程結束。當子進程結束后，wait函數返回，通過WIFEXITED和WIFSIGNALED宏判斷子進程的退出狀態，并打印相應信息。

運行這段代碼，你會看到類似如下的輸出：

I am the parent process, my pid is 12345, and my child's pid is 12346
I am the child process, my pid is 12346
The child process exited normally, exit status is 3

從輸出結果可以清晰地看到父子進程的執行過程以及子進程的退出狀態。

4. waitpid 函數拓展

waitpid函數是wait函數的擴展，它提供了更靈活的等待方式。waitpid函數的原型為pid_t waitpid(pid_t pid, int *status, int options); 。與wait函數相比，waitpid函數有以下幾個特點：

可以指定等待的子進程：pid參數用于指定要等待的子進程的 PID 。當pid > 0時，等待進程 ID 等于pid的子進程；當pid = -1時，等待任意子進程，此時waitpid與wait功能相同；當pid = 0時，等待和當前調用waitpid函數的進程同一個進程組的所有子進程；當pid < -1時，等待指定進程組內的任意子進程，其中pid的絕對值表示進程組的 ID 。
可以選擇是否阻塞等待：options參數用于控制waitpid的行為，常用的選項有WNOHANG（非阻塞模式）。當設置WNOHANG選項時，如果沒有子進程結束，waitpid函數會立即返回 0，而不是阻塞等待；如果有子進程結束，則返回該子進程的 PID 。
可以處理更多子進程狀態：除了可以獲取子進程的正常退出和異常終止狀態外，waitpid函數還可以通過WUNTRACED選項報告被跟蹤的子進程（即使它們尚未停止），通過WCONTINUED選項報告被繼續執行的子進程（即被SIGCONT信號繼續執行）。

waitpid函數在一些復雜的場景中非常有用。例如，當父進程需要同時管理多個子進程，并且希望在不阻塞的情況下獲取子進程的狀態時，可以使用waitpid函數的非阻塞模式。通過循環調用waitpid函數，并設置WNOHANG選項，父進程可以在等待子進程結束的同時繼續執行其他任務。

下面是一個使用waitpid函數非阻塞等待子進程的示例代碼：

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

int main() {
    pid_t pid;
    int status;

    // 創建子進程
    pid = fork();
    if (pid < 0) {
        perror("fork error");
        exit(EXIT_FAILURE);
    } else if (pid == 0) {
        // 子進程
        printf("I am the child process, my pid is %d\n", getpid());
        sleep(5);  // 模擬子進程執行一些任務
        exit(3);  // 子進程正常退出，返回值為3
    } else {
        // 父進程
        printf("I am the parent process, my pid is %d, and my child's pid is %d\n", getpid(), pid);
        // 非阻塞等待子進程結束
        while (1) {
            pid_t ret = waitpid(pid, &status, WNOHANG);
            if (ret == 0) {
                // 沒有子進程結束，繼續執行其他任務
                printf("The child process is still running, I can do other things\n");
                sleep(1);
            } else if (ret == pid) {
                // 子進程結束
                if (WIFEXITED(status)) {
                    printf("The child process exited normally, exit status is %d\n", WEXITSTATUS(status));
                } else if (WIFSIGNALED(status)) {
                    printf("The child process was terminated by a signal, signal number is %d\n", WTERMSIG(status));
                }
                break;
            } else {
                // 錯誤情況
                perror("waitpid error");
                break;
            }
        }
    }

    return 0;
}

在這個示例中，父進程使用waitpid函數并設置WNOHANG選項非阻塞地等待子進程結束。在等待過程中，父進程可以繼續執行其他任務，每隔 1 秒打印一次提示信息。當子進程結束后，waitpid函數返回子進程的 PID，父進程獲取子進程的退出狀態并打印相應信息。運行這段代碼，你會看到父進程在等待子進程的同時還能執行其他任務，充分展示了waitpid函數的靈活性。

三、程序替換：exec函數解析

1. exec 函數族概述

在 Linux 進程編程中，當我們需要讓一個進程去執行另一個不同的程序時，就會用到exec函數族。exec函數族的功能是用一個新的程序替換當前進程的正文段、數據段、堆段和棧段，使得當前進程從新程序的入口點開始執行。簡單來說，就像是把進程原本運行的程序 “替換” 成了另一個程序，就如同給一個機器人換上了全新的 “大腦”（程序），讓它執行新的任務。

需要注意的是，exec函數族并不會創建新的進程，進程的 PID 在執行exec前后保持不變。這意味著，雖然進程執行的程序發生了變化，但它在系統中的 “身份標識”（PID）并沒有改變。例如，當我們在終端中輸入ls命令時，shell 進程會調用fork創建一個子進程，然后子進程調用exec函數族中的某個函數，將自身替換為ls程序的執行，此時子進程的 PID 并沒有改變，只是它開始執行ls程序的代碼。

2. exec 函數原型與參數

exec函數族包含多個函數，它們的原型和功能相似，但在參數傳遞和查找可執行文件的方式上有所不同。常用的exec函數原型如下：

#include <unistd.h>

// 使用參數列表傳遞參數，在指定路徑查找可執行文件
int execl(const char *path, const char *arg, ...);

// 使用參數列表傳遞參數，在PATH環境變量指定路徑查找可執行文件
int execlp(const char *file, const char *arg, ...);

// 使用參數列表傳遞參數，在指定路徑查找可執行文件，并可指定新的環境變量
int execle(const char *path, const char *arg, ..., char *const envp[]);

// 使用參數數組傳遞參數，在指定路徑查找可執行文件
int execv(const char *path, char *const argv[]);

// 使用參數數組傳遞參數，在PATH環境變量指定路徑查找可執行文件
int execvp(const char *file, char *const argv[]);

// 使用參數數組傳遞參數，在PATH環境變量指定路徑查找可執行文件，并可指定新的環境變量
int execvpe(const char *file, char *const argv[], char *const envp[]);

這些函數的參數說明如下：

path：指定要執行的可執行文件的完整路徑，例如/bin/ls 。
file：如果參數中包含/，則視為路徑并在指定路徑下查找可執行文件；否則將在PATH環境變量指定的路徑中查找可執行文件，例如ls 。
arg：指定傳遞給可執行文件的一系列參數，以可變參數列表的形式傳遞，一般第一個參數為可執行文件的名稱，且最后一個參數必須是NULL，用于表示參數列表的結束。例如，execl("/bin/ls", "ls", "-l", NULL)，其中"ls"是可執行文件的名稱，"-l"是傳遞給ls命令的參數，NULL表示參數列表結束。
argv：指定傳遞給可執行文件的一系列參數，以參數數組的形式傳遞，數組的最后一個元素必須是NULL，用于表示參數數組的結束。例如，char *argv[] = {"ls", "-l", NULL}; execv("/bin/ls", argv); 。
envp：指定新進程的環境變量，是一個指向字符指針數組的指針，數組中的每個元素都是一個環境變量字符串，格式為"變量名=值"，最后一個元素必須是NULL，用于表示環境變量數組的結束。如果不使用該參數，新進程將繼承調用進程的環境變量。例如，char *envp[] = {"HELLO=world", "USER=root", NULL}; execle("/bin/echo", "echo", "$HELLO", (char *)NULL, envp); 。

3. exec 函數應用示例

下面通過一個具體的代碼示例來展示exec函數的使用：

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

int main() {
    pid_t pid;

    // 創建子進程
    pid = fork();
    if (pid < 0) {
        perror("fork error");
        exit(EXIT_FAILURE);
    } else if (pid == 0) {
        // 子進程
        // 使用execlp函數執行ls命令，列出當前目錄下的文件
        // 第一個參數"ls"表示在PATH環境變量中查找ls程序
        // 第二個參數"ls"是傳遞給ls程序的參數，一般第一個參數是程序名本身
        // 第三個參數"-l"是ls命令的參數，用于以長格式列出文件
        // 最后一個參數NULL表示參數列表結束
        if (execlp("ls", "ls", "-l", NULL) == -1) {
            perror("execlp error");
            exit(EXIT_FAILURE);
        }
    } else {
        // 父進程
        wait(NULL);  // 等待子進程結束
        printf("Child process has finished.\n");
    }

    return 0;
}

在這段代碼中，首先使用fork函數創建一個子進程。在子進程中，調用execlp函數執行ls -l命令，用于列出當前目錄下的文件。execlp函數會在PATH環境變量指定的路徑中查找ls程序，并將"ls"、"-l"作為參數傳遞給ls程序。如果execlp函數執行失敗，會打印錯誤信息并退出子進程。父進程調用wait函數等待子進程結束，然后打印提示信息。運行這段代碼，你會看到子進程執行ls -l命令的輸出結果，展示了當前目錄下文件的詳細信息。

四、fork、wait 和 exec 三者之間的協同

1. 常見應用場景

在實際的 Linux 編程中，fork、wait和exec這三個函數通常會協同工作，共同完成各種復雜的任務。在 Shell 腳本的實現中，當用戶在終端輸入一條命令，比如ls -l，Shell 進程會首先調用fork創建一個子進程。這個子進程繼承了 Shell 進程的大部分資源，包括打開的文件描述符等。然后子進程調用exec函數族中的某個函數，比如execlp，將自身替換為ls程序的執行。

此時，子進程開始執行ls程序的代碼，根據傳入的參數-l以長格式列出當前目錄下的文件。而父進程（即 Shell 進程）則調用wait函數等待子進程結束。當子進程執行完ls命令后，父進程從wait函數返回，繼續等待用戶輸入下一條命令。通過這樣的協同工作，Shell 能夠實現對用戶輸入命令的解析和執行。

在服務器程序中，比如一個簡單的 Web 服務器，fork、wait和exec的協同也起著關鍵作用。當服務器接收到一個客戶端的連接請求時，主進程會調用fork創建一個子進程來處理這個連接。子進程調用exec函數族執行處理客戶端請求的程序，比如一個 CGI 腳本或者一個專門的處理程序。

在這個過程中，主進程可以繼續監聽其他客戶端的連接請求，而子進程負責處理當前客戶端的具體請求。當子進程處理完請求后，主進程通過wait函數回收子進程的資源，確保系統資源的有效利用。通過這種方式，Web 服務器能夠同時處理多個客戶端的請求，提高了服務器的并發處理能力。

2. 代碼實戰

下面給出一個完整的代碼示例，展示fork、wait和exec的協同工作流程：

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

int main() {
    pid_t pid;
    int status;

    // 創建子進程
    pid = fork();
    if (pid < 0) {
        perror("fork error");
        exit(EXIT_FAILURE);
    } else if (pid == 0) {
        // 子進程
        char *argv[] = {"ls", "-l", NULL};
        // 使用execvp函數執行ls -l命令
        if (execvp("ls", argv) == -1) {
            perror("execvp error");
            exit(EXIT_FAILURE);
        }
    } else {
        // 父進程
        printf("I am the parent process, my pid is %d, and my child's pid is %d\n", getpid(), pid);
        // 等待子進程結束
        wait(&status);
        if (WIFEXITED(status)) {
            printf("The child process exited normally, exit status is %d\n", WEXITSTATUS(status));
        } else if (WIFSIGNALED(status)) {
            printf("The child process was terminated by a signal, signal number is %d\n", WTERMSIG(status));
        }
    }

    return 0;
}

代碼執行過程如下：

首先，主進程調用fork函數創建子進程。
在子進程中，fork返回 0，然后子進程創建一個包含ls和-l的參數數組argv 。接著調用execvp函數，execvp會在PATH環境變量指定的路徑中查找ls程序，并使用argv作為參數執行ls -l命令。如果execvp執行成功，子進程的代碼段、數據段、堆段和棧段會被ls程序替換，開始執行ls程序的代碼，輸出當前目錄下文件的詳細信息。如果execvp執行失敗，會打印錯誤信息并退出子進程。
在父進程中，fork返回子進程的 PID，父進程打印自己和子進程的 PID 。然后調用wait函數等待子進程結束。當子進程結束后，wait函數返回，父進程通過WIFEXITED和WIFSIGNALED宏判斷子進程的退出狀態，并打印相應信息。

通過這個代碼示例，我們可以清晰地看到fork、wait和exec是如何協同工作的。fork用于創建子進程，為執行新程序提供載體；exec用于將子進程替換為新的程序執行；wait用于父進程等待子進程結束并回收其資源，確保系統資源的有效管理。

責任編輯：趙寧寧來源：深度Linux

進程編程函數 Linux

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