深入淺出《Unix環境高級編程》筆記（三）：程序與進程、PID 文件鎖、fork/wait 進程控制實戰

深入淺出《Unix環境高級編程》筆記（三）：程序與進程、PID 文件鎖、fork/wait 進程控制實戰

繼續《Unix環境高級編程》（APUE）學習筆記系列。本章聚焦程序與進程的區別、進程標識 PID、進程控制基礎，附帶 C 語言實戰代碼演示 PID 文件防重啟與 fork/wait 父子進程協作。

核心概念釐清

關鍵點：同一程序可啟動多個進程，各自擁有獨立地址空間、文件描述符表、信號處理等。

進程標識 PID

• 類型：pid_t（非負整數）。
• 獲取：pid_t getpid(void) 返回調用進程 PID；pid_t getppid(void) 返回父進程 PID。
• 唯一性：系統保證同一時刻無兩個進程 PID 相同；進程結束後 PID 可復用。

C 代碼：打印當前 PID

#include 
#include 
#include 

int main() {
    pid_t pid = getpid();
    printf("this process id is %d\n", pid);
    return 0;
}

編譯運行：

$ gcc -o pid pid.c
$ ./pid
this process id is 24047
$ ./pid
this process id is 24048  # 每次運行 PID 不同

實戰：PID 文件防止重複啟動

守護進程常用手段：啟動時檢查 .pid 文件是否存在，存在則退出；不存在則創建並寫入當前 PID，退出時刪除。

完整代碼

#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 

int main() {
    pid_t pid = getpid();
    char *pidfile = "./freesir.pid";
    char pids[16] = {0};
    int fd;

    // 1. 檢查 PID 文件是否存在
    if (access(pidfile, F_OK) != -1) {
        printf("this program is already run in system.\n");
        return -1;
    }

    // 2. 創建並寫入 PID
    fd = open(pidfile, O_TRUNC | O_CREAT | O_RDWR, 0644);
    if (fd < 0) {
        perror("open pid file error");
        return -2;
    }
    sprintf(pids, "%d", pid);
    if (write(fd, pids, strlen(pids)) != strlen(pids)) {
        perror("write pid file error");
        close(fd);
        return -3;
    }

    // 3. 模擬業務邏輯
    sleep(10);

    // 4. 清理
    unlink(pidfile);
    close(fd);
    printf("this process id is %d\n", pid);
    return 0;
}

注意：生產環境需考慮原子性（open(O_EXCL)）、進程崩潰殘留 PID 文件（啟動時驗證 PID 是否存活）、權限等問題，推薦使用 flock/fcntl 文件鎖或成熟庫（如 libbsd 的 pidfile_open）。

進程控制：fork / waitpid

fork() 核心語義

• 調用一次，返回兩次：父進程返回子進程 PID，子進程返回 0。
• 子進程複製父進程地址空間（Copy-on-Write）、文件描述符表、信號處理等。
• 失敗返回 -1，設置 errno。

waitpid() 等待子進程結束

pid_t waitpid(pid_t pid, int *status, int options);
// pid > 0: 等待指定 PID；pid = -1: 等待任意子進程
// status: 輸出子進程退出狀態，需用宏解析
// options: WNOHANG 非阻塞，WUNTRACED 報告停止狀態

三大狀態解析宏

父子進程協作示例

#include 
#include 
#include 
#include 

int main() {
    pid_t pid = fork();
    if (pid < 0) {
        perror("fork error");
        return 1;
    } else if (pid == 0) {           // 子進程
        printf("I'm child, pid=%d\n", getpid());
        sleep(5);
        exit(127);                   // 自定義退出碼
    } else {                         // 父進程
        printf("I'm parent, pid=%d, child_pid=%d\n", getpid(), pid);
        int status;
        pid_t w = waitpid(pid, &status, 0); // 阻塞等待
        if (w < 0) perror("waitpid error");
        else {
            if (WIFEXITED(status))
                printf("Child exited with code %d\n", WEXITSTATUS(status));
            else if (WIFSIGNALED(status))
                printf("Child killed by signal %d\n", WTERMSIG(status));
        }
    }
    return 0;
}

本章小結

1. 程序 ≠ 進程：靜態文件 vs 動態實例，一對多關係。
2. PID 是進程的身份證，getpid() 獲取，可用於防重啟鎖。
3. fork() 是 Unix 進程創建的核心，「調用一次，返回兩次」是理解父子邏輯的鑰匙。
4. waitpid() + 宏 是父進程感知子進程命運的標準方式，必須處理所有退出情況。

下一章將深入信號處理、管道通信、exec 族函數，敬請期待。

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