前言

在 Linux 开发中，进程是资源分配最小单位，我们经常需要创建子进程、等待子进程退出、在进程中执行新程序，同时线程作为轻量级执行单元也是必学知识点。本文从waitpid开始，讲解进程回收、exec 函数族、环境变量，再过渡到 pthread 线程基础，包含函数原型、参数解析、使用场景、注意事项，适合嵌入式 / Linux C 开发入门学习。

阅读前提：已经掌握 fork 创建子进程、wait 函数基础用法。

一、waitpid 函数：回收指定子进程

1. 函数原型

#include <sys/wait.h>
pid_t waitpid(pid_t pid, int *wstatus, int options);

2. 参数说明

1. pid：指定要回收的子进程 PID

   表格

   pid 取值	含义
   >0	回收 PID 等于该值的指定子进程
   0	回收调用进程组内任意子进程
   -1	回收任意子进程，等价于 wait ()
   <‑1	回收指定进程组内的任意子进程

2. wstatus：保存子进程退出状态的地址，传入NULL代表不关心退出状态。 可以使用宏解析 wstatus：

• WIFEXITED(wstatus)：判断子进程是否正常退出
• WEXITSTATUS(wstatus)：获取子进程exit()返回值，仅正常退出时有效
• WIFSIGNALED(wstatus)：判断子进程是否被信号杀死
• WTERMSIG(wstatus)：获取杀死子进程的信号编号，仅被信号终止时有效

1. options：回收选项，控制阻塞 / 非阻塞行为

• 0：阻塞回收。子进程没有退出，父进程就阻塞挂起，直到子进程结束。
• WNOHANG：非阻塞回收。如果子进程还没有结束，waitpid 立刻返回0，父进程不会卡住。

3. 返回值

• 大于 0：成功，返回被回收子进程的 PID
• 0：使用WNOHANG时，子进程还未退出
• -1：出错，比如没有子进程

4.wait 和 waitpid 对比

1. wait()：只能阻塞等待任意一个子进程退出；
2. waitpid()：可以指定回收某个子进程，支持非阻塞，灵活性更高。

💡核心用途：解决僵尸进程。子进程执行完毕，父进程没有回收 PCB 资源就会产生僵尸进程，waitpid可以选择阻塞或者轮询非阻塞回收子进程。

简单示例

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

int main(void)
{
    pid_t pid = fork();
    if(pid == 0){
        //子进程
        sleep(2);
        printf("子进程%d即将退出\n",getpid());
        exit(5);
    }else if(pid >0){
        int status;
        //非阻塞轮询回收子进程
        while(waitpid(pid,&status,WNOHANG) == 0)
        {
            printf("子进程还没结束，父进程做别的工作\n");
            sleep(1);
        }
        if(WIFEXITED(status)){
            printf("子进程正常退出，退出码:%d\n",WEXITSTATUS(status));
        }
    }
    return 0;
}

二、exec 函数族：进程内部执行全新程序

1. 什么是 exec？

fork()创建子进程后，子进程复制父进程完整代码。如果想要子进程运行一个完全不一样的可执行程序，就使用exec 函数族。

重点：exec 调用成功之后，原来进程的代码段、数据段全部被新程序覆盖，exec 之后的代码不会执行；只有调用失败，才会返回‑1 继续向下运行。

2. 函数原型一览

extern char **environ;

//l：参数以可变参数列表传入，必须以NULL结尾
int execl(const char *path, const char *arg, .../* (char *) NULL */);
int execlp(const char *file, const char *arg, .../* (char *) NULL */);
int execle(const char *path, const char *arg, .../*, (char *) NULL, char * const envp[] */);

//v：参数传入字符串指针数组
int execv(const char *path, char *const argv[]);
int execvp(const char *file, char *const argv[]);
int execvpe(const char *file, char *const argv[], char *const envp[]);

后缀含义记忆

表格

后缀	含义
l	list，参数列表，可变参数，末尾必须传(char*)NULL
v	vector，字符串指针数组传参
p	path，会从环境变量PATH路径下搜索程序，不用写全路径
e	environment，可以自定义传给新程序的环境变量

注意：第一个参数是要执行程序名；第二个开始是命令行参数，第一个参数必须是程序本身名字，最后必须以 NULL 哨兵结尾。

示例：execlp 使用

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

int main()
{
    printf("准备调用exec执行ls\n");
    //p会去PATH中找ls，不需要写/bin/ls
    execlp("ls","ls","-l",NULL);
    //只有exec失败才会走到这里
    perror("execlp fail");
    return 0;
}

开发常用套路：fork 创建子进程，子进程调用 exec 执行外部程序，父进程负责 waitpid 回收。

三、环境变量 setenv

环境变量是进程运行时保存配置信息的变量，子进程默认继承父进程全部环境变量。

函数原型

int setenv(const char *name, const char *value, int overwrite);

参数：

1. name：环境变量名字
2. value：环境变量值
3. overwrite：
   • 1：如果该环境变量已经存在，覆盖旧值
   • 0：已经存在则不做修改

返回值：成功返回 0，失败返回‑1。

extern char **environ;可以直接拿到当前进程全部环境变量表。

使用示例

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>

int main(void)
{
    setenv("MY_VAR","hello_csdn",1);
    printf("MY_VAR = %s\n",getenv("MY_VAR"));
    return 0;
}

四、线程基础 pthread

进程：操作系统资源分配最小单元；线程：操作系统任务调度最小单元。 一个进程内部可以创建多个线程，所有线程共享进程的堆、全局变量、静态变量、代码段；每个线程拥有自己独立栈空间（默认 8MB）。

• 线程局部变量（函数内局部变量）存放在线程私有栈，线程之间互不干扰；
• 全局 / 静态 / 堆上的数据多线程共享，会带来线程安全、竞态问题。

表格

进程 API	对应线程 API
fork () 创建子进程	pthread_create () 创建线程
exit () 结束进程	pthread_exit () 结束线程
wait ()/waitpid () 回收子进程	pthread_join () 回收线程

⚠️编译线程代码时，必须链接 pthread 库：gcc demo.c -o demo -pthread

1.pthread_create 创建线程

int pthread_create(pthread_t *thread, const pthread_attr_t *attr,
                   void *(*start_routine) (void *), void *arg);

参数解析：

1. thread：输出参数，保存新线程 TID（线程 ID）
2. attr：线程属性，栈大小、分离属性、优先级；填NULL使用默认属性
3. start_routine：线程执行函数，函数格式固定：void* fun(void* arg)
4. arg：传给线程函数的参数，无参数传NULL

返回值：成功返回 0；失败返回错误编号。

2.pthread_exit 线程退出

void pthread_exit(void *retval);

• 在线程函数内部调用，结束当前线程；
• retval是线程退出返回值，可以被pthread_join获取；

注意：主线程调用pthread_exit()只会结束主线程，不会终止整个进程；如果主线程 return/exit ()，整个进程和所有线程全部销毁。

3.pthread_join 阻塞回收线程

int pthread_join(pthread_t thread, void **retval);

1. 作用：阻塞等待指定线程结束，回收线程资源；
2. thread：要回收线程 TID；
3. retval：接收线程pthread_exit()传出返回值，不需要则填 NULL；
4. 特点：阻塞函数，线程没执行完，调用者就卡住等待。

完整线程 Demo

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

//线程函数，固定格式
void *thread_func(void *arg)
{
    pthread_t tid = pthread_self();
    printf("子线程(TID:%lu)开始执行\n",tid);
    sleep(2);
    printf("子线程即将退出\n");
    pthread_exit((void*)100); //线程返回值
}

int main(void)
{
    pthread_t tid;
    int ret = pthread_create(&tid,NULL,thread_func,NULL);
    if(ret != 0){
        perror("pthread_create");
        return -1;
    }
    void *res;
    //阻塞等待子线程结束
    pthread_join(tid,&res);
    printf("主线程：子线程退出，返回值：%ld\n",(long)res);
    return 0;
}

编译运行命令：

gcc pthread_demo.c -o pthread_demo -pthread
./pthread_demo

五、拓展作业思路（文档原题作业）

需求：创建 4 个线程

1. 采集线程：打印采集线程 TID，每 1s 打印正在采集；
2. 存储线程：打印存储线程 TID，每 2s 打印正在存储；
3. 显示线程：打印显示线程 TID，每 5s 打印正在显示；
4. 日志线程：打印日志线程 TID，每 10s 打印正在日志记录；
5. 主线程读取终端输入字符：
   • a/A：采集线程开启 / 停止打印
   • b/B：存储线程开启 / 停止打印
   • c/C：显示线程开启 / 停止打印
   • d/D：日志线程开启 / 停止打印

实现思路提示：

1. 设置 4 个全局 flag 变量，控制每个线程是否打印输出；
2. 4 个线程内部循环 sleep，flag 为 1 就打印，flag 为 0 就跳过输出；
3. 主线程循环getchar()读取键盘字符，修改对应 flag 的值；
4. 主线程调用pthread_join等待 4 个子线程。

注意：多线程修改全局共享变量，实际项目中需要加互斥锁，避免竞态。

六、总结

1. waitpid可以指定回收子进程，支持非阻塞 WNOHANG，用来处理僵尸进程；
2. exec 族会覆盖当前进程地址空间，成功之后后续代码不运行；后缀 l/v/p/e 记住参数传递方式；
3. setenv 用来修改进程环境变量，子进程默认继承父进程环境变量；
4. 线程是调度最小单元，共享进程大部分资源，每个线程私有栈；编译必须加‑pthread；
5. pthread_create创建线程，pthread_exit退出线程，pthread_join阻塞回收线程。

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