Linux 进程：fork、execvp 与 wait

这篇文章通过一个简单的 C 程序，理解 Linux 中的进程、子进程，以及程序是怎样运行另一个命令的。

一、老师提供的完整代码

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

int main(int argc, char *argv[])
{
    printf("hello world (pid:%d)\n", (int)getpid());

    int rc = fork();

    if (rc < 0) {
        fprintf(stderr, "fork failed\n");
        exit(1);
    } else if (rc == 0) {
        printf("hello, I am child (pid:%d)\n", (int)getpid());

        char *myargs[3];
        myargs[0] = strdup("wc");
        myargs[1] = strdup("test1.c");
        myargs[2] = NULL;

        execvp(myargs[0], myargs);

        printf("this shouldn't print out\n");
    } else {
        int wc = wait(NULL);
        printf("hello, I am parent of %d (wc:%d) (pid:%d)\n",
               rc, wc, (int)getpid());
    }

    return 0;
}

这里假设当前目录中存在 test1.c。如果文件名不同，需要同时修改代码中的文件名。

二、如何编译和运行

假设代码保存为 test1.c：

gcc -o test1 test1.c
./test1

其中：

gcc -o test1 test1.c：把源代码 test1.c 编译成可执行程序 test1。
./test1：执行当前目录中的 test1 程序。
test1.c 是源代码，不会被 ./test1 直接执行。

程序中的子进程之后会执行：

wc test1.c

wc 会统计文件的行数、单词数和字节数。例如：

31  88  750 test1.c

这表示文件有 31 行、88 个单词、750 个字节。

三、程序的大致流程

可以把整个过程理解成这样：

运行 ./test1
    |
    | 打印启动信息
    |
    | fork()
    |
    +-- 父进程：等待子进程结束
    |
    +-- 子进程：调用 execvp()
                    |
                    +-- 执行 wc test1.c

注意：test1.c 只是被 wc 读取和统计，并没有被再次运行，所以不会出现无限循环。

四、fork()：创建子进程

int rc = fork();

fork() 会把当前进程复制出一个子进程。调用之后，父进程和子进程都会从 fork() 的下一行继续执行。

可以把它想象成：一个正在运行的程序在某个时刻分成了两个进程。

fork() 的返回值在不同进程中不同：

rc < 0   // 创建失败
rc == 0  // 当前代码运行在子进程中
rc > 0   // 当前代码运行在父进程中，rc 是子进程的 PID

因此代码使用 if 分出了三种情况：

if (rc < 0) {
    // 创建失败
} else if (rc == 0) {
    // 子进程执行这里
} else {
    // 父进程执行这里
}

五、PID：进程的身份证号

getpid()

getpid() 会返回当前进程的 PID，也就是进程号。

例如：

hello world (pid:594)
hello, I am child (pid:595)

这里可以看出：父进程和子进程是两个不同的进程，因此 PID 不同。

六、execvp()：替换当前程序

子进程中准备了一个参数数组：

char *myargs[3];
myargs[0] = strdup("wc");
myargs[1] = strdup("test1.c");
myargs[2] = NULL;

它相当于准备执行这条命令：

wc test1.c

然后调用：

execvp(myargs[0], myargs);

execvp() 不会创建新的进程。它做的是：把当前子进程中运行的程序替换成另一个程序。

也就是说：

子进程 PID 595：原本运行 test1
        |
        | execvp()
        v
子进程 PID 595：开始运行 wc

PID 仍然是 595，只是这个进程执行的程序变成了 wc。

这就是为什么不会无限套娃：wc 只是读取文件内容，并不会重新执行这段代码，也不会再次调用这里的 fork()。

如果 execvp() 执行成功，后面的代码不会执行：

printf("this shouldn't print out\n");

只有当 execvp() 执行失败时，程序才会继续执行这条 printf。实际代码中更严谨的写法是：

perror("execvp failed");
exit(1);

七、wait()：父进程等待子进程

父进程执行：

int child_pid = wait(NULL);

这表示父进程暂停在这里，等待某个子进程结束。

子进程执行完 wc test1.c 后，父进程才继续执行后面的输出语句。

wait(NULL) 的返回值是已经结束的子进程 PID，不是 wc 输出的行数或单词数。老师的代码把这个变量命名为 wc，但它实际保存的是子进程 PID；如果自己写代码，改名为 child_pid 会更容易理解。

八、运行结果怎么读

一次运行可能看到类似输出：

hello world (pid:594)
hello, I am child (pid:595)
31  88  750 test1.c
hello, I am parent of 595 (wait:595) (pid:594)

它表示：

原程序启动，当前进程 PID 是 594。
fork() 创建了子进程，子进程 PID 是 595。
子进程通过 execvp() 执行 wc test1.c。
wc 输出 test1.c 的统计结果。
父进程通过 wait(NULL) 等待子进程结束，然后输出最后一行。

九、常见误解

1. `./test1` 会执行 `test1.c` 吗？

不会。

test1.c  -- gcc 编译 -->  test1  -- ./test1 执行 --> 程序运行

./test1 执行的是编译后生成的可执行文件 test1。

2. 子进程进入 `test1.c` 后会再次 fork 吗？

不会。子进程没有进入并运行 test1.c，而是把 test1.c 作为普通文本文件交给 wc 读取。

3. 为什么不会无限创建进程？

因为代码中只有一次 fork()，而且子进程随后执行的是 wc。wc 不会运行这段 C 代码，因此不会再次调用 fork()。

4. `fork()` 和 `execvp()` 是一回事吗？

不是：

fork()   = 创建一个子进程
execvp() = 让当前进程换成另一个程序
wait()   = 父进程等待子进程结束

十、最值得记住的一句话

fork() 负责创建子进程；
execvp() 负责让子进程执行另一个程序；
wait() 负责让父进程等待子进程结束。

这三个函数组合起来，是 Linux 中运行外部命令的一种经典方式。很多 shell 的底层工作方式，也可以用“先 fork，再 exec，最后 wait”来理解。

十一、课后练习

可以尝试做下面几件事，加深理解：

把 test1.c 改成另一个存在的文件名，观察 wc 的输出变化。
注释掉 wait(NULL)，观察父进程和子进程的输出顺序是否变化。

把 wc 改成 ls，并把参数改成：

myargs[0] = strdup("ls");
myargs[1] = strdup("-l");
myargs[2] = NULL;

这时子进程会执行：

ls -l

把文件名改成一个不存在的文件，观察命令报错时的表现。