再談Linux 進程：進程等待、進程替換與環境變量

1.進程等待

為什么需要進程等待？

相關系統調用：wait()和waitpid()

wait():

waitpid():

解析子進程狀態（status）

2.進程替換

為什么需要進程替換？

相關系統調用：exec函數家族

3.環境變量

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? ? ? ? 本文將對Linux環境下的進程：包括進程創建、終止與進程等待、替換進行講解，作者使用XShell連接配置為CentOs 7.6的主機進行演示，希望能幫助你更好理解操作系統的運行原理！

1.進程等待

????????在操作系統中，進程等待是指父進程主動等待子進程結束執行，并回收子進程資源的過程。這是進程管理中的重要機制，主要用于解決子進程結束后資源釋放和狀態獲取的問題。

為什么需要進程等待？

回收子進程資源
????????子進程結束后，其內核數據結構PCB不會立即釋放，會變成僵尸進程。（ps：僵尸進程不能被殺死，只能通過進程等待解決！）父進程通過等待機制回收子進程的殘留資源，避免內存泄漏和系統資源浪費。
獲取子進程退出狀態
? ? ? ? 父進程可以通過等待機制獲取子進程的執行結果（退出的狀態值、被終止收到的信號），進行后續處理。

相關系統調用：wait()和waitpid()

????????先來看看man-pages的wait介紹：

wait():

作用：阻塞當前父進程，直到任意一個子進程結束或被信號中斷。
參數：
status是一個指向整數的指針，用于存儲子進程的退出狀態（可通過宏解析）。
返回值：
- 成功時返回結束的子進程的PID；
- 失敗時返回 -1。

//以下是對進程等待的測試
int testwait()
{pid_t id=fork();if(id<0){perror("fork");return 1;}else if(id==0){//childint cnt=5;while(cnt){printf("I am child,pid:%d,ppid:%d,cnt:%d\n",getpid(),getppid(),cnt);cnt--;sleep(1);}exit(0);}else {//parentint cnt=10;while(cnt){printf("I am father,pid:%d,ppid:%d,cnt:%d\n",getpid(),getppid(),cnt);cnt--;sleep(1);}//這里先不介紹status
-----------------------------------------------------------------------------------------pid_t ret=wait(NULL);//這里wait返回的就是子進程創建成功后返回的pidif(ret==id){printf("success!\n");}
-----------------------------------------------------------------------------------------}return 0; 
}//補充：如果創建了多個子進程，又如何通過wait獲得子進程的運行狀態呢？
//在---畫出的區域可以這樣修改：
//對于多個子進程，只需要將wait遍歷即可for(i=0;i<n;i++){pid_t ret=wait(NULL);if(ret>0){printf("wait %d success\n",ret);}}

waitpid():

作用：等待指定的子進程（更靈活，可設置非阻塞等待）。
參數：
pid：
- pid =? -1：等待任意子進程；
- pid > 0：等待 PID 為 pid?的子進程（一般設定為指定等待子進程的PID）；
- status：同上，用于獲取子進程狀態。
- options：
  - 0（默認選擇）：阻塞模式，若子進程未結束則一直等待（阻塞狀態）；
  - WNOHANG:?非阻塞模式，若子進程未結束則立即返回0。
返回值：
- 子進程未結束：根據options返回 0（非阻塞）或阻塞等待；
- 子進程結束：返回該子進程的 PID；
- 出錯：返回 -1。

int testwaitplus()
{pid_t id=fork();if(id<0){perror("fork");return 1;}else if(id==0){//childint cnt=20;while(cnt){printf("I am child,pid:%d,ppid:%d,cnt:%d\n",getpid(),getppid(),cnt);cnt--;sleep(1);}exit(0);}else {//parentint cnt=10;while(cnt){printf("I am father,pid:%d,ppid:%d,cnt:%d\n",getpid(),getppid(),cnt);cnt--;sleep(1);}//pid_t ret=wait(NULL);//這里wait返回的就是子進程創建成功后返回的pidwhile(1){int status=0;// pid_t ret=waitpid(-1,&status,0);pid_t ret=waitpid(-1,&status,WNOHANG);if(ret>0){printf("success!\n");printf("exit successfully,pid:%d\n,exit_code:%d,exit_signal:%d\n",ret,(status>>8)&0xFF,status&0x7F);//還可以用宏if(WIFEXITED(status))//判斷是否異常退出{printf("進程正常退出，無異常！exit_code:%d\n",WEXITSTATUS(status));}exit(0);}else if(ret<0){printf("wait failed\n");}else {printf("子進程還未退出，waiting...\n");}sleep(1);}}return 0; 
}

解析子進程狀態（status）

? ? ? ? 這里的status到底是什么？這里詳細介紹一下這個玩意：

status本質上就是一個整形：4個字節對應32個bit位：

0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000

前16位不考慮，后十六位進行寫入標記；
0000 0000 0000 0000

后七位表示異常信號，倒數第八位（標紅）標識core dump，前八位表示退出碼，自己想要查看兩碼可以進行位操作，也可以用宏：
WIFEXITED(status): 若為正常終止子進程返回的狀態，則為真
WEXITSTATUS(status): 若WIFEXITED非零，提取子進程退出碼

其實本質上就是進行的位操作：

(status>>8)&0xFF（0xFF十六進制）

status&0x7F（0x7F十六進制）

2.進程替換

????????在操作系統中，進程替換是指用一個新的程序（可執行文件或腳本）替換當前進程的內存空間、代碼和數據，使進程轉而執行新程序的過程。這一過程不會創建新進程，而是直接覆蓋當前進程的上下文，因此進程的PID保持不變，但執行的內容被完全替換。

為什么需要進程替換？

執行外部程序
例如，在Shell中輸入ls命令時，Shell會通過進程替換讓當前子進程執行ls程序。
程序升級或切換功能
一個進程在運行中需要切換到另一個功能模塊時，可通過替換自身來實現。

相關系統調用：exec函數家族

? ? ? ?進程替換通過exec系列函數實現，共有 7個函數，統稱為exec函數族。它們的作用是加載并執行一個新程序，替換當前進程的內存空間。

函數原型與區別：

上述六個都是庫函數，都是基于系統調用execve實現的：

給出總結：?

函數名	參數形式	是否搜索?`PATH`?環境變量	能否自定義環境變量
`execl`	可變參數列表（以?`NULL`?結尾）	否	否
`execlp`	可變參數列表	是（根據?`PATH`?查找程序）	否
`execle`	可變參數列表	否	是（傳入環境變量數組）
`execv`	字符指針數組（`argv`）	否	否
`execvp`	字符指針數組	是	否
execvpe	字符指針數組	是	是
`execve`	字符指針數組	否	是（系統調用）

核心區別：

參數傳遞方式：帶?I?的函數（類似鏈表）通過逗號分隔的可變參數列表傳遞參數，最后以NULL結尾;帶?v?的函數（類似數組）通過字符指針數組傳遞參數，類似main函數的參數形式。

是否搜索?PATH：帶?p?的函數會根據系統環境變量PATH查找程序路徑，無需指定絕對路徑。

環境變量控制：帶?e?的函數可以自定義環境變量，否則繼承當前進程的環境變量。

底層系統調用：execve?是唯一的系統調用，其他函數均是對它的封裝。

exec函數的特點：

執行成功后不返回
? ? ? ? 若?exec?調用成功，當前進程的代碼、數據、堆、棧等會被新程序完全替換，進程從新程序的入口點開始執行，不會返回原程序。（也沒有辦法返回）僅當?exec?調用失敗時，才會返回?-1，并繼續執行原程序后續代碼。

進程 ID 不變
? ? ? ? 替換前后進程的PID保持不變，因為替換的是進程的 “內容”，而非進程本身。

文件描述符繼承
? ? ? ? 原進程打開的文件描述符在EXEC后默認保持打開狀態。

環境變量繼承
? ? ? ? 原進程所擁有的環境變量在EXEC后默認保持相同。

不是說進程替換是將新的程序所帶有的代碼數據，替換掉原先的代碼數據嗎？PID保持不變，其他全部都被替換掉了，但是！實際上只有內存管理部分大換血，而環境變量，文件描述符包括IO部分完全相同，或者說原封不動地繼承了下去，兩個部分解耦合。

void test1()
{//單個進程進行進程替換printf("this is a begin:pid:%d,ppid:%d\n",getpid(),getppid());execl("/usr/bin/ls","ls","-a","-l",NULL); printf("this is a end:pid:%d,ppid:%d\n",getpid(),getppid());//可以看到進程替換后代碼和數據進行了替換，pid不變，execl后面的代碼不再執行
}extern char** environ;void test2()
{//對exec系統調用函數進行使用char* const arr[]={"ls","-a","-l",NULL };//execlp("testcpp","testcpp",NULL);//execv("/usr/bin/ls",arr);execle("./testcpp","testcpp",NULL,environ);
}

3.環境變量

? ? ? ? 抱歉抱歉，環境變量姍姍來遲，前面已經提到了它，現在來補充認識一下吧：

?????????環境變量是操作系統中存儲的一系列鍵值對，用于控制系統和應用程序的行為。它們在進程的上下文中生效，影響進程的運行環境...

環境變量本質：

存儲形式：以?NAME=VALUE?的格式存儲，例如PATH=/home/usr/testfile。

進程關聯：每個進程啟動時會繼承其父進程的環境變量，并可修改自身的環境變量（但通常不影響父進程）。

存儲位置：進程的環境變量存儲在內存中的環境變量表（由指針environ指向）（使用時記得extern char** environ），可通過main函數的第三個參數envp訪問。

常見環境變量:

變量名	作用描述	典型值
`PATH`	命令搜索路徑，多個路徑用冒號?`:`?分隔	`/usr/local/sbin:/usr/local/bin:...`
`HOME`	當前用戶主目錄	`/home/username`
`USER`	當前用戶名	`username`
`SHELL`	用戶默認 Shell 路徑	`/bin/bash`
`LANG`	系統語言和區域設置	`en_US.UTF-8`
`PWD`	當前工作目錄（由 Shell 動態更新）	`/home/username/projects`
`TERM`	終端類型（影響命令行顯示效果，如顏色、光標控制）	`xterm-256color`
`EDITOR`	默認文本編輯器	`vim`?或?`nano`
`JAVA_HOME`	Java 運行環境路徑（供 Java 程序查找 JRE/JDK）	`/usr/lib/jvm/java-17-openjdk`
`PATH`（特殊）	注意：部分程序（如?`systemd`）使用?`PATH`?以外的變量（如?`PATH`?需顯式設置）	-

?查看環境變量:

set//可以查看所有環境變量，包括本地變量
env//查看環境變量

查看單個環境變量：

echo $PATH
echo $USER
....

設置環境變量：

臨時設置（僅當前 Shell 會話有效）：

export NAME=VALUE
export MY_VAR="hello world"  # 聲明為環境變量（可被子進程繼承）
MY_VAR="hello"  # 僅為當前 Shell 的局部變量（不被子進程繼承）可以用set查到，echo打印
#因為echo是內建命令，不會將環境變量繼承給子進程#

?刪除環境變量：

unset TEST
#將TEST環境變量永久刪除#

環境變量與進程的關系

繼承性：子進程會自動繼承父進程的環境變量，但父進程無法感知子進程對環境變量的修改；進程替換（exec函數族）時，默認繼承當前進程的環境變量，除非經過?execle/execve?顯式傳遞新的環境變量數組。
作用域：全局變量：通過 export 聲明或寫入系統配置文件，可被所有子進程繼承。局部變量：未用 export?聲明的變量，僅在當前 Shell 進程內有效，不被子進程繼承。