再谈Linux 进程：进程等待、进程替换与环境变量

1.进程等待

为什么需要进程等待？

1.进程等待

在操作系统中，进程等待是指父进程主动等待子进程结束执行，并回收子进程资源的过程。这是进程管理中的重要机制，主要用于解决子进程结束后资源释放和状态获取的问题。

为什么需要进程等待？

回收子进程资源
子进程结束后，其内核数据结构PCB不会立即释放，会变成僵尸进程。（ps：僵尸进程不能被杀死，只能通过进程等待解决！）父进程通过等待机制回收子进程的残留资源，避免内存泄漏和系统资源浪费。
获取子进程退出状态
父进程可以通过等待机制获取子进程的执行结果（退出的状态值、被终止收到的信号），进行后续处理。

相关系统调用：wait()和waitpid()

先来看看man-pages的wait介绍：

wait():

作用：阻塞当前父进程，直到任意一个子进程结束或被信号中断。
参数：
status是一个指向整数的指针，用于存储子进程的退出状态（可通过宏解析）。
返回值：
- 成功时返回结束的子进程的PID；
- 失败时返回 -1。

//以下是对进程等待的测试
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);}//这里先不介绍status
-----------------------------------------------------------------------------------------pid_t ret=wait(NULL);//这里wait返回的就是子进程创建成功后返回的pidif(ret==id){printf("success!\n");}
-----------------------------------------------------------------------------------------}return 0; 
}//补充：如果创建了多个子进程，又如何通过wait获得子进程的运行状态呢？
//在---画出的区域可以这样修改：
//对于多个子进程，只需要将wait遍历即可for(i=0;i<n;i++){pid_t ret=wait(NULL);if(ret>0){printf("wait %d success\n",ret);}}

waitpid():

作用：等待指定的子进程（更灵活，可设置非阻塞等待）。
参数：
pid：
- pid = -1：等待任意子进程；
- pid > 0：等待 PID 为 pid 的子进程（一般设定为指定等待子进程的PID）；
- status：同上，用于获取子进程状态。
- options：
  - 0（默认选择）：阻塞模式，若子进程未结束则一直等待（阻塞状态）；
  - WNOHANG: 非阻塞模式，若子进程未结束则立即返回0。
返回值：
- 子进程未结束：根据options返回 0（非阻塞）或阻塞等待；
- 子进程结束：返回该子进程的 PID；
- 出错：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);//这里wait返回的就是子进程创建成功后返回的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);//还可以用宏if(WIFEXITED(status))//判断是否异常退出{printf("进程正常退出，无异常！exit_code:%d\n",WEXITSTATUS(status));}exit(0);}else if(ret<0){printf("wait failed\n");}else {printf("子进程还未退出，waiting...\n");}sleep(1);}}return 0; 
}

解析子进程状态（status）

这里的status到底是什么？这里详细介绍一下这个玩意：

status本质上就是一个整形：4个字节对应32个bit位：

0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000

前16位不考虑，后十六位进行写入标记；
0000 0000 0000 0000

后七位表示异常信号，倒数第八位（标红）标识core dump，前八位表示退出码，自己想要查看两码可以进行位操作，也可以用宏：
WIFEXITED(status): 若为正常终止子进程返回的状态，则为真
WEXITSTATUS(status): 若WIFEXITED非零，提取子进程退出码

其实本质上就是进行的位操作：

(status>>8)&0xFF（0xFF十六进制）

status&0x7F（0x7F十六进制）

2.进程替换

在操作系统中，进程替换是指用一个新的程序（可执行文件或脚本）替换当前进程的内存空间、代码和数据，使进程转而执行新程序的过程。这一过程不会创建新进程，而是直接覆盖当前进程的上下文，因此进程的PID保持不变，但执行的内容被完全替换。

为什么需要进程替换？

执行外部程序
例如，在Shell中输入ls命令时，Shell会通过进程替换让当前子进程执行ls程序。
程序升级或切换功能
一个进程在运行中需要切换到另一个功能模块时，可通过替换自身来实现。

相关系统调用：exec函数家族

进程替换通过exec系列函数实现，共有 7个函数，统称为exec函数族。它们的作用是加载并执行一个新程序，替换当前进程的内存空间。

函数原型与区别：

上述六个都是库函数，都是基于系统调用execve实现的：

给出总结：

函数名	参数形式	是否搜索 `PATH` 环境变量	能否自定义环境变量
`execl`	可变参数列表（以 `NULL` 结尾）	否	否
`execlp`	可变参数列表	是（根据 `PATH` 查找程序）	否
`execle`	可变参数列表	否	是（传入环境变量数组）
`execv`	字符指针数组（`argv`）	否	否
`execvp`	字符指针数组	是	否
execvpe	字符指针数组	是	是
`execve`	字符指针数组	否	是（系统调用）

核心区别：

参数传递方式：带 I 的函数（类似链表）通过逗号分隔的可变参数列表传递参数，最后以NULL结尾;带 v 的函数（类似数组）通过字符指针数组传递参数，类似main函数的参数形式。

是否搜索 PATH：带 p 的函数会根据系统环境变量PATH查找程序路径，无需指定绝对路径。

环境变量控制：带 e 的函数可以自定义环境变量，否则继承当前进程的环境变量。

底层系统调用：execve 是唯一的系统调用，其他函数均是对它的封装。

exec函数的特点：

执行成功后不返回
若 exec 调用成功，当前进程的代码、数据、堆、栈等会被新程序完全替换，进程从新程序的入口点开始执行，不会返回原程序。（也没有办法返回）仅当 exec 调用失败时，才会返回 -1，并继续执行原程序后续代码。

进程 ID 不变
替换前后进程的PID保持不变，因为替换的是进程的 “内容”，而非进程本身。

文件描述符继承
原进程打开的文件描述符在EXEC后默认保持打开状态。

环境变量继承
原进程所拥有的环境变量在EXEC后默认保持相同。

不是说进程替换是将新的程序所带有的代码数据，替换掉原先的代码数据吗？PID保持不变，其他全部都被替换掉了，但是！实际上只有内存管理部分大换血，而环境变量，文件描述符包括IO部分完全相同，或者说原封不动地继承了下去，两个部分解耦合。

void test1()
{//单个进程进行进程替换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());//可以看到进程替换后代码和数据进行了替换，pid不变，execl后面的代码不再执行
}extern char** environ;void test2()
{//对exec系统调用函数进行使用char* const arr[]={"ls","-a","-l",NULL };//execlp("testcpp","testcpp",NULL);//execv("/usr/bin/ls",arr);execle("./testcpp","testcpp",NULL,environ);
}

3.环境变量

抱歉抱歉，环境变量姗姗来迟，前面已经提到了它，现在来补充认识一下吧：

环境变量是操作系统中存储的一系列键值对，用于控制系统和应用程序的行为。它们在进程的上下文中生效，影响进程的运行环境...

环境变量本质：

存储形式：以 NAME=VALUE 的格式存储，例如PATH=/home/usr/testfile。

进程关联：每个进程启动时会继承其父进程的环境变量，并可修改自身的环境变量（但通常不影响父进程）。

存储位置：进程的环境变量存储在内存中的环境变量表（由指针environ指向）（使用时记得extern char** environ），可通过main函数的第三个参数envp访问。

常见环境变量:

变量名	作用描述	典型值
`PATH`	命令搜索路径，多个路径用冒号 `:` 分隔	`/usr/local/sbin:/usr/local/bin:...`
`HOME`	当前用户主目录	`/home/username`
`USER`	当前用户名	`username`
`SHELL`	用户默认 Shell 路径	`/bin/bash`
`LANG`	系统语言和区域设置	`en_US.UTF-8`
`PWD`	当前工作目录（由 Shell 动态更新）	`/home/username/projects`
`TERM`	终端类型（影响命令行显示效果，如颜色、光标控制）	`xterm-256color`
`EDITOR`	默认文本编辑器	`vim` 或 `nano`
`JAVA_HOME`	Java 运行环境路径（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` 以外的变量（如 `PATH` 需显式设置）	-

查看环境变量:

set//可以查看所有环境变量，包括本地变量
env//查看环境变量

查看单个环境变量：

echo $PATH
echo $USER
....

设置环境变量：

临时设置（仅当前 Shell 会话有效）：

export NAME=VALUE
export MY_VAR="hello world"  # 声明为环境变量（可被子进程继承）
MY_VAR="hello"  # 仅为当前 Shell 的局部变量（不被子进程继承）可以用set查到，echo打印
#因为echo是内建命令，不会将环境变量继承给子进程#

删除环境变量：

unset TEST
#将TEST环境变量永久删除#

环境变量与进程的关系

继承性：子进程会自动继承父进程的环境变量，但父进程无法感知子进程对环境变量的修改；进程替换（exec函数族）时，默认继承当前进程的环境变量，除非经过 execle/execve 显式传递新的环境变量数组。
作用域：全局变量：通过 export 声明或写入系统配置文件，可被所有子进程继承。局部变量：未用 export 声明的变量，仅在当前 Shell 进程内有效，不被子进程继承。