linux系统编程（四）：fork-exec-wait进程三件套

fork / exec / wait —— 进程的生与死在终端敲ls -l按下回车shell 是怎么把这个命令跑起来的答案是 Linux 进程模型的核心三件套fork 复制自己 → exec 替换映像 → wait 等子进程退出。这篇把这条链路上每个系统调用、每个细节讲清楚。0. 引言shell 怎么跑命令整个 Linux 进程生态都是这个模式bash、systemd、init、Docker、k8s …全部基于 fork/exec/wait。下面拆解。1. fork —— 一变二#includeunistd.hpid_tfork(void);返回值有两个这是 fork 最魔幻的特点父进程拿到子进程的 pid 0子进程拿到 0失败返回 -1pid_tpidfork();if(pid0){perror(fork);exit(1);}elseif(pid0){/* 子进程走这里 */printf(child: my pid is %d\n,getpid());}else{/* 父进程走这里 */printf(parent: child pid is %d\n,pid);}1.1 fork 之后两个进程几乎一样子进程从fork()之后开始与父进程平行执行。它继承父进程的整个虚拟内存空间代码、堆、栈、全局变量文件描述符open 的文件、socket、pipe当前工作目录环境变量信号处理函数signal handlerspid_t 自身的值getpid() 返回各自的 pid不继承的pid子进程有新的 pidppid子进程的父进程是 fork 调用者等待子进程的 wait 队列文件锁fcntl F_SETLK1.2 Copy-On-WriteCOWfork()看起来像“复制整个进程”但 Linux 不会立刻复制几 GB 内存。它真正复制的是页表视图父子进程先指向同一批物理页并把这些页标记成只读只有某个进程真的写某一页时内核才复制那一页。阶段页表 / 物理页发生什么为什么这样做fork 刚返回父子进程各有页表但都映射到同一批物理页避免立刻复制整个地址空间读共享页父子都能读同一页例如代码段和未修改数据页读不会改变内容所以共享安全写共享页写入只读页触发缺页异常内核复制该页只复制真正被修改的页更新映射写入方页表指向新页另一方仍指向旧页父子进程从这一页开始分裂子进程 exec旧地址空间被新程序替换如果 fork 后马上 exec很多页根本不会复制所以fork()本身很快主要成本是创建子进程、复制页表、标记 COW。真正的内存复制被延迟到“写入某个页”的那一刻。2. exec —— 替换进程映像fork后子进程跟父进程一模一样但通常我们想让它去跑另一个程序。exec系列函数把当前进程的代码段、数据段、堆、栈全部替换成新程序但保留 pid、父子关系、文件描述符。2.1 exec 家族6 个变种#includeunistd.hintexecl(constchar*path,constchar*arg,...,NULL);intexeclp(constchar*file,constchar*arg,...,NULL);intexecle(constchar*path,constchar*arg,...,NULL,char*constenvp[]);intexecv(constchar*path,char*constargv[]);intexecvp(constchar*file,char*constargv[]);intexecve(constchar*path,char*constargv[],char*constenvp[]);字母含义字母含义l参数以 list 方式传变长NULL 结尾v参数以 vector 方式传argv 数组p在 PATH 中查找可执行文件e显式传环境变量 envp实际上只有execve是真正的系统调用其他都是 libc 包装。2.2 最常用的两个/* 知道完整路径 */char*argv[]{ls,-l,NULL};execv(/bin/ls,argv);/* 不知道路径让 PATH 帮你找 */execvp(ls,argv);执行成功后当前进程的代码就被替换了从新程序的 main 开始执行。exec之后的代码永远不会被执行到除非 exec 失败。execvp(ls,argv);/* 只有 exec 失败才会到这里 */perror(execvp);exit(1);2.3 fork exec 的标准模式pid_tpidfork();if(pid0){/* 子进程 */char*argv[]{ls,-l,NULL};execvp(ls,argv);/* 走到这里说明 exec 失败 */perror(execvp);_exit(127);}elseif(pid0){/* 父进程 */intstatus;waitpid(pid,status,0);/* ... */}⚠️ 子进程 exec 失败时用_exit而不是exit避免触发父进程注册的 atexit handler那些通常只该跑一次。3. wait —— 等子进程退出 回收资源子进程退出后并不立即消失它的退出码、CPU 时间等需要被父进程收尸。负责收尸的是wait系列。3.1 三个函数#includesys/wait.hpid_twait(int*status);pid_twaitpid(pid_tpid,int*status,intoptions);intwaitid(idtype_tidtype,id_tid,siginfo_t*info,intoptions);最常用的waitpidintstatus;pid_tcpidwaitpid(pid,status,0);/* 阻塞等到指定 pid 退出 */if(WIFEXITED(status)){printf(normal exit, code %d\n,WEXITSTATUS(status));}elseif(WIFSIGNALED(status)){printf(killed by signal %d\n,WTERMSIG(status));}elseif(WIFSTOPPED(status)){printf(stopped by signal %d\n,WSTOPSIG(status));}pid参数 0等指定 pid0等同 process group 内任一子进程-1等任一子进程等价wait -1等指定 process groupoptions0阻塞WNOHANG非阻塞没退出的话返回 0WUNTRACED被信号停止时也返回WCONTINUED被信号 cont 时也返回3.2 status 解析的 5 个宏宏含义WIFEXITED(status)是否正常退出return / exit / _exitWEXITSTATUS(status)正常退出时的退出码WIFSIGNALED(status)是否被信号杀死WTERMSIG(status)杀死它的信号编号WCOREDUMP(status)是否生成了 core dump3.3 非阻塞 wait主进程不想阻塞等子进程while(1){pid_tpidwaitpid(-1,status,WNOHANG);if(pid0)break;/* 没有已退出的子进程 */if(pid0){if(errnoECHILD)break;/* 没有子进程了 */perror(waitpid);break;}/* 处理 pid 的退出 */}或者用SIGCHLD信号处理见后文。4. 僵尸进程 vs 孤儿进程4.1 僵尸进程Zombie子进程已退出但父进程还没 wait—— 进程 PCB 还在内核里挂着状态显示Z。ps -ef ... S PID PPID TIME CMD ... Z 1234 500 0:00 [foo] defunct ← 僵尸危害占用 PID 表项pid 用尽时新进程起不来。修复父进程及时wait/waitpid或者忽略SIGCHLDsignal(SIGCHLD, SIG_IGN)—— 子进程退出时内核自动回收不变僵尸或者在SIGCHLDhandler 里循环waitpid(-1, NULL, WNOHANG)4.2 孤儿进程Orphan父进程先退出了子进程还活着 —— 这个子进程的 ppid 变成 1init或某个 subreaper。init 会自动 wait所以孤儿不可怕。孤儿是常态每次nohup后台跑命令、daemon 化都会产生。4.3 双 forkdaemon 化pid_tpid1fork();if(pid10)exit(0);/* ① 父进程退出 *//* 子进程继续 */setsid();/* 脱离控制终端 */pid_tpid2fork();if(pid20)exit(0);/* ② 子进程退出 *//* 孙进程才是真正的 daemon */chdir(/);umask(0);close(STDIN_FILENO);close(STDOUT_FILENO);close(STDERR_FILENO);/* daemon 主逻辑 */为什么要 fork 两次第一次 fork让 shell 能立刻拿到第一个子进程的退出shell 不阻塞setsid创建新 session脱离 tty第二次 fork确保孙进程不再是 session leader防止以后误打开 tty 把它当控制终端现代系统用 systemd 管理服务不用手写 daemon 化但理解这个模式仍然重要。5. 实战写一个迷你 shell#includestdio.h#includestdlib.h#includestring.h#includeunistd.h#includesys/wait.hintmain(void){charline[1024];while(printf($ ),fflush(stdout),fgets(line,sizeofline,stdin)){line[strcspn(line,\n)]0;if(strcmp(line,exit)0)break;/* 简单分词空格分隔 */char*argv[64]{0};intargc0;for(char*tokstrtok(line, );tokargc63;tokstrtok(NULL, )){argv[argc]tok;}if(argc0)continue;pid_tpidfork();if(pid0){execvp(argv[0],argv);fprintf(stderr,command not found: %s\n,argv[0]);_exit(127);}elseif(pid0){intstatus;waitpid(pid,status,0);if(WIFEXITED(status))printf([exit %d]\n,WEXITSTATUS(status));}}return0;}50 行实现了一个能跑常见命令的 shell。真正的 bash 复杂在管道、重定向、job control、tab 补全、history 等但核心机制就是 fork exec wait。6. fork 的近亲vfork、posix_spawn、clone6.1 vforkpid_tvfork(void);跟fork类似但子进程共享父进程的内存不 COW子进程必须立即exec或_exit不能动父进程内存父进程在子进程 exec/exit 前被阻塞历史原因早期没有 COWfork真的全量拷贝开销大vfork用于立即 exec的场景省拷贝。今天有了 COWvfork 几乎没必要用标准也已经标记为 obsolete。但 musl libc / Android bionic 仍保留实现特殊场景偶尔见。6.2 posix_spawnintposix_spawn(pid_t*pid,constchar*path,constposix_spawn_file_actions_t*file_actions,constposix_spawnattr_t*attrp,char*constargv[],char*constenvp[]);把 fork exec 合在一起一次系统调用搞定。在某些场景嵌入式、no MMU 系统比 fork 快。POSIX 标准但用得不多Linux 上 forkexec 已经够快。6.3 cloneLinux 特有fork和pthread_create底层都靠它intclone(int(*fn)(void*),void*stack,intflags,void*arg,...);flags决定共享什么资源CLONE_VM共享内存空间线程CLONE_FS共享文件系统CLONE_FILES共享文件描述符CLONE_SIGHAND共享信号处理CLONE_THREAD放进同一个线程组不同组合得到不同的创建模式fork 是 0 共享pthread_create 是几乎全共享容器是部分共享 (CLONE_NEWPID等)。7. 几个常踩的坑7.1 fork 后未 reset 信号处理子进程继承父进程所有的 signal handler。如果你打算 exec 一个新程序handler 大概率不该跟过去if(fork()0){/* exec 之前 reset */for(inti1;iNSIG;i)signal(i,SIG_DFL);execvp(...);}但实际上exec自己会把所有非 SIG_IGN 的 handler自动 reset 成 SIG_DFL。SIG_IGN 状态会保留。7.2 fork 后子进程 fd 共享父子进程的 fd 是共享的指向同一个 file 内核对象。子进程 read 文件文件偏移会动父进程下次 read 也受影响intfdopen(file,O_RDONLY);if(fork()0){charbuf[10];read(fd,buf,10);/* 偏移 → 10 */_exit(0);}wait(NULL);charbuf[10];read(fd,buf,10);/* 从偏移 10 开始读 */7.3 fork 后 exec 之前别 malloc子进程从 fork 出来到 exec 之间这段时间父进程的堆状态是冻结快照。这段时间调malloc在多线程程序里可能死锁mtrace 锁。只调 async-signal-safe 函数基本就是 syscall 包装。7.4 stdio 缓冲区在 fork 时被复制printf(hello\n);/* 进了 stdio 行缓冲 */fork();/* 父子各自 flush 一次 → hello 可能被打两遍 */fork前fflush(stdout)或者用 unbuffered 输出。7.5 wait 之前主进程就退出 → 孤儿通常没事init 接管但一些 daemon 框架会监听不到。如果你要追踪子进程退出要 wait。8. 总结表函数作用关键点fork复制当前进程父返回子 pid子返回 0COW 优化fd 共享execve家族替换进程映像pid 不变代码全换exec 后旧代码不再执行wait/waitpid等子进程退出 回收不 wait → 僵尸可 NOHANG 非阻塞vfork共享内存的 fork必须立即 exec/exit今天基本不用posix_spawnforkexec 合一嵌入式场景有用clone万能 fork含线程flags 控制共享什么9. 收尾Linux 进程模型可以用一句话总结一切都是 fork 出来的exec 让 fork 出来的进程换身份wait 让生死有交代。这个简单的三件套撑起了终端 shell 跑每条命令daemon 后台服务web 服务器pre-fork 模型脚本执行Docker 启动容器systemd 管理服务…而背后的 COW 优化让 fork 廉价使得这个看似低效的设计在 50 年后依然是 Linux 的根基。