exec, exit и wait: зомби и сироты

exec: заменить программу

exec загружает в текущий процесс новую программу. PID остаётся прежним, а код, данные, стек и куча заменяются.

execl("/bin/ls", "ls", "-l", (char *)NULL);          /* список аргументов */
execlp("ls", "ls", "-l", (char *)NULL);              /* p — искать в PATH */
char *args[] = {"ls", "-l", NULL};
execv("/bin/ls", args);                               /* v — массив */
execvp("ls", args);
execve("/bin/ls", args, envp);                        /* e — своё окружение; это и есть системный вызов */
perror("exec");                                       /* сюда попадаем только при ошибке */

fork + exec

Так shell запускает команды:

pid_t pid = fork();
if (pid == 0) {
    execvp(argv[0], argv);
    perror("exec");
    _exit(127);            /* exec не удался */
}
waitpid(pid, &status, 0);

Между fork и exec потомок может настроить окружение: перенаправить дескрипторы (dup2), сменить каталог, сигналы — так работают >, |, & в shell.

Завершение процесса

Процесс завершается:

• return из main или вызов exit(code) — нормально;
• _exit(code) — нормально, без сброса буферов stdio;
• по сигналу (SIGKILL, SIGSEGV, …) — аварийно.

Что делает ядро при завершении:

1. закрывает все файловые дескрипторы, освобождает адресное пространство, снимает отображения;
2. всех живых потомков передаёт новому родителю — init (или subreaper);
3. переводит процесс в состояние зомби: от него остаётся только task_struct с кодом завершения и статистикой;
4. посылает родителю сигнал SIGCHLD.

wait и waitpid

#include <sys/wait.h>

int status;
pid_t done = wait(&status);              /* ждать любого потомка */
pid_t p = waitpid(pid, &status, 0);      /* ждать конкретного */
waitpid(-1, &status, WNOHANG);           /* проверить без ожидания */

if (WIFEXITED(status))   printf("код %d\n", WEXITSTATUS(status));
if (WIFSIGNALED(status)) printf("убит сигналом %d\n", WTERMSIG(status));
if (WIFSTOPPED(status))  printf("остановлен сигналом %d\n", WSTOPSIG(status));

wait(NULL) — дождаться любого потомка, статус не нужен. Если потомков нет, wait сразу вернёт −1 с errno = ECHILD.

Зомби

Зомби — процесс, который завершился, но родитель ещё не забрал его статус через wait. Память освобождена, но запись в таблице процессов (PID, код завершения) занята.

$ ps -eo pid,ppid,stat,comm | grep Z
 4242  4241 Z+   prog <defunct>

Много зомби — исчерпание PID. Лечится: родитель вызывает wait (часто — в обработчике SIGCHLD) или игнорирует SIGCHLD явно (signal(SIGCHLD, SIG_IGN) — тогда в Linux зомби не создаются). Если завершится сам родитель, зомби усыновит init и тут же соберёт.

Сироты

Сирота — процесс, родитель которого завершился. Ядро «переподвешивает» его к init (PID 1) или к ближайшему предку, объявившему себя subreaper (prctl(PR_SET_CHILD_SUBREAPER); так делает systemd --user). Поэтому getppid() у сироты возвращает уже не PID умершего родителя.

Итог

• exec заменяет программу, сохраняя PID и дескрипторы; при успехе не возвращается.
• При завершении ядро освобождает ресурсы, усыновляет потомков init-ом, оставляет зомби и шлёт родителю SIGCHLD.
• wait/waitpid забирают статус только своих детей; макросы WIFEXITED, WEXITSTATUS, WIFSIGNALED, WTERMSIG.
• Зомби — завершился, но не «похоронен»; сирота — родитель умер, родителем стал init.