APUE 筆記：進程控制核心三巨頭 fork、exec、wait 深度實戰

Unix 進程控制核心：fork 創建、exec 替換、wait 回收

《APUE》第 8 章圍繞 fork()、exec()、wait() 三大系統調用展開。它們構成了 Unix 進程管理的基石：所有進程（除 init）皆由 fork() 誕生，執行新程序靠 exec()，父進程同步靠 wait()。

一、關鍵概念與 ps 觀察技巧

• PID：進程唯一標識，pid_t 類型，非負整數，用完循環復用。
• init (PID 1)：所有進程祖先，內核啟動後創建，負責孤兒進程收養。

二、fork()：一次調用，兩次返回

pid_t fork(void);
// 父進程返回子進程 PID > 0
// 子進程返回 0
// 出錯返回 -1，設置 errno

Copy-on-Write (COW) 機制：

1. fork 瞬間：父子共享物理頁面，頁表標記只讀。
2. 任意一方寫入：頁面缺失中斷 → 內核複製該頁 → 修改映射 → 繼續執行。
3. 優勢：避免大量數據拷貝；若子進程緊接 exec() 則零拷貝。

父子差異五點：返回值、PID、PPID、資源使用量清零、未決信號/文件鎖不繼承。

緩衝區陷阱：fork 前必須 fflush(NULL) 刷新所有緩衝區，否則重定向輸出時父進程緩衝區數據會被子進程復制並重複輸出。

三、wait()/waitpid()：僵屍進程收割者

pid_t wait(int *status);           // 阻塞等待任意子進程
pid_t waitpid(pid_t pid, int *status, int options); // 可指定進程、非阻塞

status 宏解析：

waitpid pid 參數四種模式：

• < -1：進程組 ID = |pid| 的任意子進程
• -1：任意子進程（等同 wait()）
• 0：同進程組的任意子進程
• > 0：指定 PID 的子進程

WNOHANG：非阻塞模式，無子進程退出立即返回 0，輪詢檢查常用。

四、僵屍 vs 孤兒進程

五、exec() 族：換殼不換魂

int execl(const char *path, const char *arg0, ..., (char *)NULL);
int execv(const char *path, char *const argv[]);
int execlp(const char *file, const char *arg0, ..., (char *)NULL); // 搜索 PATH
// l=列表參數，v=向量參數，p=搜索 PATH，e=指定環境變量

• 本質：將調用進程的整個地址空間（代碼、數據、堆、棧）替換為新程序，但保留 PID、父子關係、打開的文件描述符（除非設定 FD_CLOEXEC）。
• 不返回：成功則不返回，失敗返回 -1（如文件不存在、權限不足、非可執行文件）。
• 緩衝區：exec 前必須 fflush(NULL)，否則舊緩衝區數據隨地址空間丟失。

六、經典組合：fork + exec + wait = 簡易 Shell

pid_t pid = fork();
if (pid == 0) {           // 子進程
    execl("/bin/date", "date", "+%s", NULL);
    perror("execl");      // 只有失敗才執行到這裡
    _exit(1);             // 子進程失敗用 _exit 避免衝刷父緩衝區
}
wait(NULL);               // 父進程等待子進程
puts("End!");

七、system() 內部實現原理

int system(const char *cmd) {
    pid_t pid = fork();
    if (pid == 0) {
        execl("/bin/sh", "sh", "-c", cmd, NULL);
        _exit(127);
    }
    waitpid(pid, NULL, 0);
    return 0; // 簡化：實際需處理信號、返回值解析
}

八、進程憑證：Real/Effective/Saved UID/GID

• Real：真實身份（登錄用戶）。
• Effective：權限檢查時使用的身份。
• Saved：保存執行文件所有者 ID，支持權限切換。

Set-UID 程序：如 passwd (-rwsr-xr-x)，執行瞬間 Effective UID = 文件所有者，獲得 root 權限修改 /etc/shadow。

九、解釋器腳本與 #! 機制

• #!/bin/bash：內核識別 #!，執行 /bin/bash script.sh。
• 腳本權限需 +x；解釋器必須是二進制可執行文件。
• 內核 execve 直接處理，不經過 Shell。

徹底掌握 fork/exec/wait 三部曲、僵屍孤兒機制、COW 原理、exec 族選擇、Set-UID 權限模型，是 Unix/Linux 系統編程的入門鑰匙。

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