先看一下進程在課本里的標準定義：“進程是可并發執行的程序在一個數據集合上的運行過程。”這個定義非常嚴謹，而且難懂，如果你沒有一下子理解這句話，就不妨看看并不嚴謹的解釋。我們大家都知道，硬盤上的一個可執行文件經常被稱作程序，在Linux系統中，當一個程序開始執行后，在開始執行到執行完畢退出這段時間里，它在內存中的部分就被稱作一個進程。

當然，這個解釋并不完善，但好處是容易理解，在以下的文章中，我們將會對進程作一些更全面的認識。

1.1 Linux進程簡介

Linux是一個多任務的操作系統，也就是說，在同一個時間內，可以有多個進程同時執行。如果讀者對計算機硬件體系有一定了解的話，會知道我們大家常用的單CPU計算機實際上在一個時間片斷內只能執行一條指令，那么Linux是如何實現多進程同時執行的呢？原來Linux使用了一種稱為“進程調度（process scheduling）”的手段，首先，為每個進程指派一定的運行時間，這個時間通常很短，短到以毫秒為單位，然后依照某種規則，從眾多進程中挑選一個投入運行，其他的進程暫時等待，當正在運行的那個進程時間耗盡，或執行完畢退出，或因某種原因暫停，Linux就會重新進行調度，挑選下一個進程投入運行。因為每個進程占用的時間片都很短，在我們使用者的角度來看，就好像多個進程同時運行一樣了。

在Linux中，每個進程在創建時都會被分配一個數據結構，稱為進程控制塊（Process Control Block，簡稱PCB）。PCB中包含了很多重要的信息，供系統調度和進程本身執行使用，其中最重要的莫過于進程ID（process ID）了，進程ID也被稱作進程標識符，是一個非負的整數，在Linux操作系統中唯一地標志一個進程，其實從進程ID的名字就可以看出，它就是進程的身份證號碼，每個人的身份證號碼都不會相同，每個進程的進程ID也不會相同。

1.2 getpid

#include<sys/types.h> /* 提供類型pid_t的定義 */ #include<unistd.h> /* 提供函數的定義 */ pid_t getpid(void);

getpid的作用很簡單，就是返回當前進程的進程ID，請大家看以下的例子：

/* getpid_test.c */ #include<unistd.h> main() {printf("The current process ID is %d\n",getpid()); }

編譯并運行程序getpid_test.c：

$gcc getpid_test.c -o getpid_test $./getpid_test The current process ID is 1980

1.3 fork

#include<sys/types.h> /* 提供類型pid_t的定義 */ #include<unistd.h> /* 提供函數的定義 */ pid_t fork(void);

只看fork的名字，可能難得有幾個人可以猜到它是做什么用的。fork系統調用的作用是復制一個進程。當一個進程調用它，完成后就出現兩個幾乎一模一樣的進程，我們也由此得到了一個新進程。據說fork的名字就是來源于這個與叉子的形狀頗有幾分相似的工作流程。

在Linux中，創造新進程的方法只有一個，就是我們正在介紹的fork。其他一些庫函數，如system()，看起來似乎它們也能創建新的進程，如果能看一下它們的源碼就會明白，它們實際上也在內部調用了fork。包括我們在命令行下運行應用程序，新的進程也是由shell調用fork制造出來的。fork有一些很有意思的特征，下面就讓我們通過一個小程序來對它有更多的了解

/* fork_test.c */ #include<sys/types.h> #inlcude<unistd.h> main() {pid_t pid;/*此時僅有一個進程*/pid=fork();/*此時已經有兩個進程在同時運行*/if(pid<0)printf("error in fork!");else if(pid==0)printf("I am the child process, my process ID is %d\n",getpid());elseprintf("I am the parent process, my process ID is %d\n",getpid()); }

編譯并運行：

$gcc fork_test.c -o fork_test $./fork_test I am the parent process, my process ID is 1991 I am the child process, my process ID is 1992

看這個程序的時候，頭腦中必須首先了解一個概念：在語句pid=fork()之前，只有一個進程在執行這段代碼，但在這條語句之后，就變成兩個進程在執行了，這兩個進程的代碼部分完全相同，將要執行的下一條語句都是if(pid<0)……。

兩個進程中，原先就存在的那個被稱作“父進程”，新出現的那個被稱作“子進程”。父子進程的區別除了進程標志符（process ID）不同外，變量pid的值也不相同，pid存放的是fork的返回值。fork調用的一個奇妙之處就是它僅僅被調用一次，卻能夠返回兩次，它可能有三種不同的返回值：

1．在父進程中，fork返回新創建子進程的進程ID；

2．在子進程中，fork返回0；

3．如果出現錯誤，fork返回一個負值；

fork出錯可能有兩種原因：（1）當前的進程數已經達到了系統規定的上限；（2）系統內存不足。

fork系統調用出錯的可能性很小，而且如果出錯，一般都為第一種錯誤。如果出現第二種錯誤，說明系統已經沒有可分配的內存，正處于崩潰的邊緣，這種情況對Linux來說是很罕見的。

剩下的代碼，如果pid小于0，說明出現了錯誤；pid==0，就說明fork返回了0，也就說明當前進程是子進程，就去執行printf("I am the child!")，否則（else），當前進程就是父進程，執行printf("I am the parent!")。

說到這里，可能有些讀者還有疑問：如果fork后子進程和父進程幾乎完全一樣，而系統中產生新進程唯一的方法就是fork，那豈不是系統中所有的進程都要一模一樣嗎？那我們要執行新的應用程序時候怎么辦呢？從對Linux系統的經驗中，我們知道這種問題并不存在。至于采用了什么方法，我們到后面具體討論。

1.4 exit

#include<stdlib.h> void exit(int status);

不像fork那么難理解，從exit的名字就能看出，這個系統調用是用來終止一個進程的。無論在程序中的什么位置，只要執行到exit系統調用，進程就會停止剩下的所有操作，清除包括PCB在內的各種數據結構，并終止本進程的運行。請看下面的程序：

/* exit_test1.c */ #include<stdlib.h> main() {printf("this process will exit!\n");exit(0);printf("never be displayed!\n"); }

編譯后運行：

$gcc exit_test1.c -o exit_test1 $./exit_test1 this process will exit!

我們可以看到，程序并沒有打印后面的"never be displayed!\n"，因為在此之前，在執行到exit(0)時，進程就已經終止了。

exit系統調用帶有一個整數類型的參數status，我們可以利用這個參數傳遞進程結束時的狀態，比如說，該進程是正常結束的，還是出現某種意外而結束的，一般來說，0表示沒有意外的正常結束；其他的數值表示出現了錯誤，進程非正常結束。我們在實際編程時，可以用wait系統調用接收子進程的返回值，從而針對不同的情況進行不同的處理。

在一個進程調用了exit之后，該進程并非馬上就消失掉，而是留下一個稱為僵尸進程（Zombie）的數據結構。在Linux進程的5種狀態中，僵尸進程是非常特殊的一種，它已經放棄了幾乎所有內存空間，沒有任何可執行代碼，也不能被調度，僅僅在進程列表中保留一個位置，記載該進程的退出狀態等信息供其他進程收集，除此之外，僵尸進程不再占有任何內存空間。從這點來看，僵尸進程雖然有一個很酷的名字，但它的影響力遠遠抵不上那些真正的僵尸兄弟，真正的僵尸總能令人感到恐怖，而僵尸進程卻除了留下一些供人憑吊的信息，對系統毫無作用。

也許讀者們還對這個新概念比較好奇，那就讓我們來看一眼Linux里的僵尸進程究竟長什么樣子。

當一個進程已退出，但其父進程還沒有調用系統調用wait（稍后介紹）對其進行收集之前的這段時間里，它會一直保持僵尸狀態，利用這個特點，我們來寫一個簡單的小程序：

/* zombie.c */ #include <sys/types.h> #include <unistd.h> main() {pid_t pid;pid=fork();if(pid<0) /* 如果出錯 */printf("error occurred!\n");else if(pid==0) /* 如果是子進程 */exit(0);else /* 如果是父進程 */sleep(60); /* 休眠60秒，這段時間里，父進程什么也干不了 */wait(NULL); /* 收集僵尸進程 */ }

sleep的作用是讓進程休眠指定的秒數，在這60秒內，子進程已經退出，而父進程正忙著睡覺，不可能對它進行收集，這樣，我們就能保持子進程60秒的僵尸狀態。

編譯這個程序：

$ cc zombie.c -o zombie

后臺運行程序，以使我們能夠執行下一條命令

$ ./zombie &[1] 1577

列一下系統內的進程

$ ps -ax... ... 1177 pts/0 S 0:00 -bash1577 pts/0 S 0:00 ./zombie1578 pts/0 Z 0:00 [zombie <defunct>]1579 pts/0 R 0:00 ps -ax

看到中間的"Z"了嗎？那就是僵尸進程的標志，它表示1578號進程現在就是一個僵尸進程。

我們已經學習了系統調用exit，它的作用是使進程退出，但也僅僅限于將一個正常的進程變成一個僵尸進程，并不能將其完全銷毀。僵尸進程雖然對其他進程幾乎沒有什么影響，不占用CPU時間，消耗的內存也幾乎可以忽略不計，但有它在那里呆著，還是讓人覺得心里很不舒服。而且Linux系統中進程數目是有限制的，在一些特殊的情況下，如果存在太多的僵尸進程，也會影響到新進程的產生。那么，我們該如何來消滅這些僵尸進程呢？

先來了解一下僵尸進程的來由，我們知道，Linux和UNIX總有著剪不斷理還亂的親緣關系，僵尸進程的概念也是從UNIX上繼承來的，而UNIX的先驅們設計這個東西并非是因為閑來無聊想煩煩其他的程序員。僵尸進程中保存著很多對程序員和系統管理員非常重要的信息，首先，這個進程是怎么死亡的？是正常退出呢，還是出現了錯誤，還是被其它進程強迫退出的？其次，這個進程占用的總系統CPU時間和總用戶CPU時間分別是多少？發生頁錯誤的數目和收到信號的數目。這些信息都被存儲在僵尸進程中，試想如果沒有僵尸進程，進程一退出，所有與之相關的信息都立刻歸于無形，而此時程序員或系統管理員需要用到，就只好干瞪眼了。

那么，我們如何收集這些信息，并終結這些僵尸進程呢？就要靠我們下面要講到的wait調用。wait調用的作用是收集僵尸進程留下的信息，同時使這個進程徹底消失。下面就對這個調用作詳細介紹。

1.5 wait

1.5.1 簡介

#include <sys/types.h> /* 提供類型pid_t的定義 */ #include <sys/wait.h> pid_t wait(int *status)

進程一旦調用了wait，就立即阻塞自己，由wait自動分析是否當前進程的某個子進程已經退出，如果讓它找到了這樣一個已經變成僵尸的子進程，wait就會收集這個子進程的信息，并把它徹底銷毀后返回；如果沒有找到這樣一個子進程，wait就會一直阻塞在這里，直到有一個出現為止。

參數status用來保存被收集進程退出時的一些狀態，它是一個指向int類型的指針。但如果我們對這個子進程是如何死掉的毫不在意，只想把這個僵尸進程消滅掉，（事實上絕大多數情況下，我們都會這樣想），我們就可以設定這個參數為NULL，就象下面這樣：

pid = wait(NULL);

如果成功，wait會返回被收集的子進程的進程ID，如果調用進程沒有子進程，調用就會失敗，此時wait返回-1。

1.5.2 實戰

下面就讓我們用一個例子來實戰應用一下wait調用，程序中用到了系統調用fork。

/* wait1.c */ #include <sys/types.h> #include <sys/wait.h> #include <unistd.h> #include <stdlib.h>main() {pid_t pc,pr;pc=fork();if(pc<0) /* 如果出錯 */printf("error ocurred!\n");else if(pc==0){ /* 如果是子進程 */ printf("This is child process with pid of %d\n",getpid());sleep(10); /* 睡眠10秒鐘 */}else{ /* 如果是父進程 */pr=wait(NULL); /* 在這里等待 */printf("I catched a child process with pid of %d\n"),pr);} exit(0); }

編譯并運行:

$ cc wait1.c -o wait1 $ ./wait1 This is child process with pid of 1508 I catched a child process with pid of 1508

可以明顯注意到，在第2行結果打印出來前有10秒鐘的等待時間，這就是我們設定的讓子進程睡眠的時間，只有子進程從睡眠中蘇醒過來，它才能正常退出，也就才能被父進程捕捉到。

1.5.3 進程同步

有時候，父進程要求子進程的運算結果進行下一步的運算，或者子進程的功能是為父進程提供了下一步執行的先決條件（如：子進程建立文件，而父進程寫入數據），此時父進程就必須在某一個位置停下來，等待子進程運行結束，而如果父進程不等待而直接執行下去的話，可以想見，會出現極大的混亂。這種情況稱為進程之間的同步，更準確地說，這是進程同步的一種特例。進程同步就是要協調好2個以上的進程，使之以安排好地次序依次執行。解決進程同步問題有更通用的方法，我們將在以后介紹，但對于我們假設的這種情況，則完全可以用wait系統調用簡單的予以解決。請看下面這段程序：

#include <sys/types.h> #include <sys/wait.h>main() {pid_t pc, pr;int status;pc=fork();if(pc<0)printf("Error occured on forking.\n");else if(pc==0){/* 子進程的工作 */exit(0);}else{/* 父進程的工作 */pr=wait(&status);/* 利用子進程的結果 */}

這段程序只是個例子，不能真正拿來執行，但它卻說明了一些問題，首先，當fork調用成功后，父子進程各做各的事情，但當父進程的工作告一段落，需要用到子進程的結果時，它就停下來調用wait，一直等到子進程運行結束，然后利用子進程的結果繼續執行，這樣就圓滿地解決了我們提出的進程同步問題。

1.6 exec

也許有同學從fork開始讀，一直到這里還有一個很大的疑惑：既然所有新進程都是由fork產生的，而且由fork產生的子進程和父進程幾乎完全一樣，那豈不是意味著系統中所有的進程都應該一模一樣了嗎？而且，就我們的常識來說，當我們執行一個程序的時候，新產生的進程的內容應就是程序的內容才對。是我們理解錯了嗎？顯然不是，要解決這些疑惑，就必須提到我們下面要介紹的exec系統調用。

exec函數族的作用是根據指定的文件名找到可執行文件，并用它來取代調用進程的內容，換句話說，就是在調用進程內部執行一個可執行文件。這里的可執行文件既可以是二進制文件，也可以是任何Linux下可執行的腳本文件。

與一般情況不同，exec函數族的函數執行成功后不會返回，因為調用進程的實體，包括代碼段，數據段和堆棧等都已經被新的內容取代，只留下進程ID等一些表面上的信息仍保持原樣，頗有些神似"三十六計"中的"金蟬脫殼"。看上去還是舊的軀殼，卻已經注入了新的靈魂。只有調用失敗了，它們才會返回一個-1，從原程序的調用點接著往下執行。

現在我們應該明白了，Linux下是如何執行新程序的，每當有進程認為自己不能為系統和用戶做出任何貢獻了，他就可以發揮最后一點余熱，調用任何一個exec，讓自己以新的面貌重生；或者，更普遍的情況是，如果一個進程想執行另一個程序，它就可以fork出一個新進程，然后調用任何一個exec，這樣看起來就好像通過執行應用程序而產生了一個新進程一樣。

事實上第二種情況被應用得如此普遍，以至于Linux專門為其作了優化，我們已經知道，fork會將調用進程的所有內容原封不動的拷貝到新產生的子進程中去，這些拷貝的動作很消耗時間，而如果fork完之后我們馬上就調用exec，這些辛辛苦苦拷貝來的東西又會被立刻抹掉，這看起來非常不劃算，于是人們設計了一種"寫時拷貝（copy-on-write）"技術，使得fork結束后并不立刻復制父進程的內容，而是到了真正實用的時候才復制，這樣如果下一條語句是exec，它就不會白白作無用功了，也就提高了效率。

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

execve第1個參數path是被執行應用程序的完整路徑，第2個參數argv就是傳給被執行應用程序的命令行參數，第3個參數envp是傳給被執行應用程序的環境變量。

因為課程的學時有限，我們對于exec系統調用的使用就不再深入了，又興趣的同學可查看《UNIX進程間通信》等一些關于linux編程的書。

源程序

。。。。

參考文章

浙江理工大學——操作系統實驗指導?(2020.10)

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總結

以上是生活随笔為你收集整理的Linux——进程管理的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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