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在 Linux 编程中，进程（Process） 是操作系统分配资源和调度的基本单位。每个进程都有自己独立的内存空间、代码段、数据段和执行上下文。多个进程之间常常需要协作，这就涉及到 进程间通信（IPC, Inter-Process Communication）。本篇博客会系统介绍进程的基础操作，并对常见的 IPC 方式进行详细解释与示例，带你从零开始掌握。

1. 进程与 PID

每个进程都会有一个唯一的 进程号（PID），可以通过 getpid() 获取当前进程号，通过 getppid() 获取父进程号。这在调试和进程管理时非常重要。

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

int main() {
    printf("当前进程PID=%d, 父进程PID=%d\n", getpid(), getppid());
    return 0;
}

⚠️ 注意：如果父进程先退出，子进程会被 init 进程接管，ppid 会变为 1。

2. 创建进程 — fork()

fork() 是创建新进程的主要方式。它会复制当前进程（父进程）的大部分内容，生成一个几乎一模一样的子进程。

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pid_t pid = fork();

• 在父进程中，fork() 返回子进程的 PID。

• 在子进程中，fork() 返回 0。

• 如果失败，返回 -1。

示例：

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

int main() {
    pid_t pid = fork();
    if (pid == 0) {
        printf("[子进程] pid=%d, ppid=%d\n", getpid(), getppid());
    } else if (pid > 0) {
        printf("[父进程] pid=%d, 子进程pid=%d\n", getpid(), pid);
    } else {
        perror("fork 失败");
    }
    return 0;
}

3. 程序替换 — exec() 系列

子进程常常需要运行一个新的程序，这就需要 exec() 系列函数（如 execlp, execvp 等）。
exec 系列函数的作用是：用新的程序替换当前进程的代码段，而进程的 PID、文件描述符（除非设置了 FD_CLOEXEC）等保持不变。它不会创建新进程，而是在当前进程内加载并运行新程序。

常见函数

exec 系列一共有 6 个常用函数，主要区别在于 参数传递方式 和 是否依赖 PATH 环境变量。

说明：

• PATH：系统环境变量
• path：要执行的程序路径（可以是绝对路径，也可以是相对路径）。
• arg：程序要输入的参数

使用示例

1. execl：用绝对路径调用程序

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

int main() {     
printf("Before exec\n");     
execl("/bin/ls", "ls", "-l", NULL);     
// 只有 exec 调用失败时才会继续执行    
perror("execl failed");     
return 1; }

2. execvp：在 PATH 中搜索命令

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

int main() {
    char *argv[] = {"ls", "-a", NULL};
    execvp("ls", argv);
    perror("execvp failed");
    return 1;
}

3. execle：传入自定义环境变量

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

int main() {
    char *envp[] = {"MYVAR=HelloExec", NULL};
    execl("/usr/bin/env", "env", NULL, envp);
    perror("execle failed");
    return 1;
}

注意事项

• exec 系列 不会返回，除非调用失败。

• 若调用成功，原进程的代码和数据段会被新程序替换。

• 文件描述符默认继承，可以用于在父进程中设置好管道/重定向，让子进程在 exec 后继续使用。

• 需要保证参数列表最后有 NULL，否则会引发不可预期错误。

4. 等待子进程 — wait() / waitpid()

父进程需要回收子进程退出时的资源，否则子进程会成为 僵尸进程（Zombie）。

这两个函数用于 父进程等待子进程结束 并回收资源，避免僵尸进程。

1. wait()

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

pid_t wait(int *status);

• 参数

  • status：指向整数的指针，用于存储子进程退出状态。如果不关心状态，可以传 NULL。

• 返回值

  • 成功：返回结束的子进程 PID

  • 失败：返回 -1（例如没有子进程存在时）

• 使用示例

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

int main() {
    pid_t pid = fork();
    if (pid == 0) { // 子进程
        printf("Child running...\n");
        return 42;
    } else { // 父进程
        int status;
        pid_t cpid = wait(&status); // 等待子进程
        if (WIFEXITED(status)) {   // 判断是否正常退出
            printf("Child %d exited with code %d\n", cpid, WEXITSTATUS(status));
        }
    }
    return 0;
}

2. waitpid()

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

pid_t waitpid(pid_t pid, int *status, int options);

• 参数

  • pid：

    • >0 ：等待指定 PID 的子进程

    • -1 ：等待任意子进程（功能类似 wait()）

    • 0 ：等待与调用进程同组的任意子进程

    • <-1：等待进程组 ID = |pid| 的任意子进程

  • status：指向整数的指针，用于保存退出状态

  • options：控制函数行为，常用值：

    • 0：阻塞等待（默认行为）

    • WNOHANG：非阻塞，如果没有子进程退出立即返回 0

    • WUNTRACED：返回被暂停的子进程（收到 SIGSTOP）

    • WCONTINUED：返回继续运行的子进程（收到 SIGCONT）

• 返回值

  • 成功：返回子进程 PID

  • 非阻塞且没有子进程退出：返回 0

  • 失败：返回 -1，并设置 errno

• 使用示例

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

int main() {
    pid_t pid = fork();
    if (pid == 0) { // 子进程
        sleep(2);
        return 100;
    } else { // 父进程
        int status;
        pid_t cpid;
        while ((cpid = waitpid(pid, &status, WNOHANG)) == 0) {
            printf("Child still running...\n");
            sleep(1);
        }
        if (WIFEXITED(status)) {
            printf("Child %d exited with code %d\n", cpid, WEXITSTATUS(status));
        }
    }
    return 0;
}

5. 进程退出 — exit() 与 _exit()

• exit()：会刷新缓冲区，执行清理函数。

• _exit()：立即退出，不做清理，通常在子进程 fork() 后的错误处理中使用。

⚠️ 区别：exit() 适合普通退出，_exit() 适合在 fork() 后不希望影响父进程的环境时使用。

6. ps 命令简述

ps 命令的常见用法

1. 查看当前终端中的进程

这是最简单的用法，不加任何选项，ps 命令只会显示当前终端会话中运行的进程。

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ps

运行后你可能会看到类似下面的输出：

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PID TTY          TIME CMD
1234 pts/0    00:00:00 bash
5678 pts/0    00:00:00 ps

• PID：进程的唯一标识符（Process ID）。

• TTY：进程运行所在的终端。

• TIME：进程使用的 CPU 时间。

• CMD：启动进程的命令。

2. 查看所有进程

如果你想查看系统中所有用户的所有进程，可以使用 -e 选项（代表所有进程）或 -a 选项（代表所有进程，除了会话引导进程）。

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ps -e

或者使用 -ef 组合，这是最常用的组合之一，它提供了更详细的信息：

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ps -ef

• UID：启动进程的用户 ID。

• PID：进程 ID。

• PPID：父进程 ID。

• C：CPU 利用率。

• STIME：进程启动时间。

• TTY：进程所在的终端。

• TIME：进程使用的 CPU 时间。

• CMD：启动进程的命令。

3. 查看用户进程

如果你只想查看某个特定用户（例如 root）的进程，可以使用 -u 选项。

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ps -u root

4. 通过管道和 grep 查找特定进程

在实际工作中，你通常会需要查找某个特定的进程，比如 Nginx 或 MySQL。这时，ps 命令通常会配合 grep 命令一起使用。grep 可以从 ps 的输出中过滤出你想要的信息。

例如，查找所有与 Nginx 相关的进程：

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ps -ef | grep nginx

这里的 | 是管道符，它的作用是将 ps -ef 命令的输出作为 grep 命令的输入。

ps 命令的常用选项总结

实际应用示例

假设你想查看当前系统中 CPU 或内存占用最高的几个进程，ps 命令可以与 head、sort 等命令结合使用。

查看 CPU 占用最高的 5 个进程：

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ps -aux --sort=-%cpu | head -n 6

这里的 --sort=-%cpu 表示按 CPU 占用率降序排列，head -n 6 则取前 6 行（包括标题行）。

解析 ps -aux 命令的输出

当你运行 ps -aux 命令时，你会看到一个包含多个列的表格。每一列都提供了关于进程的重要信息。下面是对这些列的详细解释：

• USER：启动该进程的用户。

• PID：进程的唯一标识符（Process ID）。当你需要杀死一个进程时，通常会用到这个 ID。

• %CPU：进程在最近一段时间内使用的 CPU 占用率。

• %MEM：进程使用的 物理内存 占用率。

• VSZ：进程使用的虚拟内存大小（Virtual Size），单位为千字节（KB）。

• RSS：进程使用的 物理内存 大小（Resident Set Size），单位为千字节（KB）。

• TTY：进程运行所在的终端。如果显示 ?，表示该进程没有关联的终端，通常是系统进程。

• STAT：进程的当前状态（STATus）。这是一个非常重要的列，常用的状态码有：

  • R：正在运行（Running）或可运行（Runnable）。

  • S：可中断的睡眠状态（Sleeping）。

  • D：不可中断的睡眠状态（Disk sleep），通常表示进程正在等待 I/O 操作。

  • Z：僵尸进程（Zombie），进程已终止，但其父进程还未对其进行善后处理。

  • T：停止（Stopped），进程被信号停止。

  • <：高优先级进程。

  • N：低优先级进程。

• START：进程启动的时间。

• TIME：进程已经消耗的 CPU 时间 总量。这与 %CPU 不同，%CPU 是瞬时值，而 TIME 是累积值。

• COMMAND：启动该进程的完整命令，包括所有参数。

示例解析

假设你运行 ps -aux 看到以下一行输出：

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root      1234  0.0  0.1 23456 1234 ?        S    Sep01  0:05 /usr/sbin/sshd -D

• USER：root 用户。

• PID：进程 ID 是 1234。

• %CPU：CPU 占用率是 0.0%。

• %MEM：内存占用率是 0.1%。

• VSZ：虚拟内存大小是 23456 KB。

• RSS：物理内存大小是 1234 KB。

• TTY：?，表示没有关联的终端。

• STAT：S，表示进程处于可中断的睡眠状态。

• START：启动时间是 Sep01。

• TIME：总 CPU 时间是 0:05（5秒）。

• COMMAND：完整的命令是 /usr/sbin/sshd -D，这是一个 SSH 服务守护进程。

通过这些信息，你可以快速了解一个进程是由谁运行的、它消耗了多少资源、处于什么状态，以及它是什么程序。这对于系统监控和故障排除非常有帮助。