一、進程等待

1.1 進程等待必要性

• 子進程退出后，若父進程不管不顧，可能會產生 “僵尸進程”，進而造成內存泄漏。
• 進程一旦變為僵尸狀態，即使使用?kill -9?也無法將其殺死，因為無法殺死一個已死的進程。
• 父進程需要了解子進程的任務完成情況，比如子進程運行結束后結果是否正確，是否正常退出。
• 父進程通過進程等待的方式，回收子進程資源并獲取其退出信息。

1.2 進程等待的方法

wait()?函數

wait()?函數用于阻塞等待子進程的結束，并回收其資源。以下是一個簡單的示例代碼：

#include <sys/wait.h>
#include <stdio.h>int main() {pid_t child_pid = fork();if (child_pid == 0) {// 子進程執行任務exit(42);  // 子進程退出碼42} else {int status;pid_t terminated_pid = wait(&status);  // 阻塞等待if (WIFEXITED(status)) {printf("子進程 %d 退出碼: %d\n", terminated_pid, WEXITSTATUS(status));}}return 0;
}

waitpid()?函數

waitpid()?函數的原型為?pid_t waitpid(pid_t pid, int *status, int options);，它可以更靈活地等待指定子進程的結束。

1.3 獲取子進程?status

wait?和?waitpid?都有一個?status?參數，這是一個輸出型參數，由操作系統填充。若傳遞?NULL，表示不關心子進程的退出狀態信息；否則，操作系統會根據該參數將子進程的退出信息反饋給父進程。

status?不能簡單地當作整型來看待，可將其視為位圖，具體細節可參考下面的圖片（只研究?status?低 16 比特位）：

狀態位	說明
低8位（0-7）	子進程退出碼 (正常終止時有效)
第8位（8-15）	信號編號 (被信號終止時有效)
其他標志位	通過宏檢測狀態類型（如WIFEXITED）

1.4 阻塞和非阻塞

核心結論

• 本質區別：

  • 阻塞（Blocking）：調用者線程暫停執行，直到操作完成（如數據到達、資源就緒）。

  • 非阻塞（Non-blocking）：調用立即返回，無論操作是否完成，需通過輪詢或事件通知獲取結果。

• 選擇依據：

  • 阻塞：適合簡單邏輯、單任務場景，代碼直觀但資源利用率低。

  • 非阻塞：適合高并發、實時響應需求，需配合多路復用（如epoll）或異步通知（如回調）

深度解析

運行機制對比

特性	阻塞模式	非阻塞模式
線程狀態	掛起（Sleeping）	持續運行（Running）
CPU 占用	低（等待時不消耗 CPU）	高（需輪詢檢查狀態）
響應延遲	操作完成后立即響應	需主動檢測或等待通知
代碼復雜度	低（線性執行）	高（需處理中間狀態和錯誤碼）

典型應用場景

以下是阻塞和非阻塞模式的典型應用代碼示例：

阻塞模式示例：

#include <stdio.h>
#include <fcntl.h>int main() {int fd = open("file.txt", O_RDONLY);  char buf[1024];  read(fd, buf, sizeof(buf));  // 阻塞直到數據就緒  printf("Data: %s\n", buf);  return 0;
}

非阻塞模式示例：

#include <stdio.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <unistd.h>
#include <errno.h>
#include <string.h>#define BUFFER_SIZE 1024int main() {int sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM | SOCK_NONBLOCK, 0);  struct sockaddr_in server_addr;memset(&server_addr, 0, sizeof(server_addr));server_addr.sin_family = AF_INET;server_addr.sin_port = htons(8080);server_addr.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;connect(sockfd, (struct sockaddr *)&server_addr, sizeof(server_addr));  char data[BUFFER_SIZE] = "Hello, Server!";int len = strlen(data);while (1) {  if (send(sockfd, data, len, MSG_DONTWAIT) == -1) {  if (errno == EAGAIN) {  usleep(1000);  // 數據未就緒，短暫等待后重試  continue;  }  }  break;  }  close(sockfd);return 0;
}

二、進程程序替換

2.1 替換原理

使用?fork?創建子進程后，子進程執行的是與父進程相同的程序（但可能執行不同的代碼分支）。若子進程想執行一個全新的程序，可通過進程的程序替換來實現。當進程調用一種?exec?函數時，該進程的用戶空間代碼和數據會完全被新程序替換，并從新程序的啟動例程開始執行。調用?exec?并不會創建新進程，因此調用前后該進程的 ID 不會改變。

2.2 替換函數

函數名	參數傳遞方式	PATH 搜索	環境變量	典型用途
execl	參數列表（可變參數）	否	繼承當前環境	已知絕對路徑的固定參數調用
execv	參數數組（char *[]）	否	繼承當前環境	動態構建參數的固定路徑調用
execlp	參數列表	是	繼承當前環境	執行 PATH 中的命令（如 Shell）
execvp	參數數組	是	繼承當前環境	動態執行 PATH 中的命令
execle	參數列表	否	自定義環境變量	需嚴格控制環境的場景
execvpe	參數數組	是	自定義環境變量	動態參數 + 自定義環境

2.3 函數解釋

2.4 命名理解

• l(list)：表示參數采用列表形式。
• v(vector)：參數使用數組。
• p(path)：有?p?則自動搜索環境變量?PATH。
• e(env)：表示自己維護環境變量。

以下是調用示例：

#include <unistd.h>
#include <stdio.h>int main() {char *const argv[] = {"ps", "-ef", NULL};char *const envp[] = {"PATH=/bin:/usr/bin", "TERM=console", NULL};execl("/bin/ps", "ps", "-ef", NULL);// 帶 p 的，可以使用環境變量 PATH，無需寫全路徑execlp("ps", "ps", "-ef", NULL);// 帶 e 的，需要自己組裝環境變量execle("ps", "ps", "-ef", NULL, envp);execv("/bin/ps", argv);// 帶 p 的，可以使用環境變量 PATH，無需寫全路徑execvp("ps", argv);// 帶 e 的，需要自己組裝環境變量execve("/bin/ps", argv, envp);// 如果 exec 調用失敗，會執行到這里perror("exec 調用失敗");return 1;
}