Linux 系統程式設計：waitpid、fork 與 execlp 完整解析與實戰範例

進程控制是 Linux 系統程式設計的核心技能。本文深度解析 waitpid、fork、execlp 三大核心系統呼叫，提供完整參數說明、返回值分析與可編譯執行的實戰程式碼。

waitpid：等待子進程狀態變化

函數原型

#include <sys/types.h>
#include <sys/wait.h>

pid_t waitpid(pid_t pid, int *status, int options);

參數詳解

狀態判斷巨集

WIFEXITED(status)    // 正常結束
WEXITSTATUS(status)  // 取得 exit code（需先判斷 WIFEXITED）
WIFSIGNALED(status)  // 因信號終止
WTERMSIG(status)     // 取得終止信號編號
WIFSTOPPED(status)   // 處於暫停狀態
WSTOPSIG(status)     // 取得導致暫停的信號編號

實戰範例：父進程正確等待子進程

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

int main(void) {
    pid_t childpid;
    int status;
    
    childpid = fork();
    if (childpid == -1) {
        perror("fork");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }
    else if (childpid == 0) {  // 子進程
        puts("In child process");
        sleep(3);
        printf("\tchild pid = %d\n", getpid());
        printf("\tchild ppid = %d\n", getppid());
        exit(EXIT_SUCCESS);
    }
    else {  // 父進程
        waitpid(childpid, &status, 0);  // 阻塞等待
        puts("in parent");
        printf("\tparent pid = %d\n", getpid());
        printf("\tparent ppid = %d\n", getppid());
        printf("\tchild process exited with status %d\n", status);
    }
    return 0;
}

關鍵觀察：若註解掉 waitpid，父進程會先於子進程結束，子進程成為「孤兒進程」被 init（PID 1）收養，ppid 變為 1。

fork：建立子進程

函數原型

#include <unistd.h>
pid_t fork(void);

核心特性

• 「調用一次，返回兩次」：父進程返回子 PID，子進程返回 0，出錯返回 -1
• 子進程獲得父進程資料段、堆、棧的副本（Copy-on-Write 機制），僅共享程式碼段
• 檔案描述符表被複製，父子共享同一檔案表項（檔案偏移量共享）

基本骨架

pid_t pid = fork();
if (pid < 0) { /* 錯誤處理 */ }
else if (pid == 0) { /* 子進程邏輯 */ }
else { /* 父進程邏輯，pid 為子進程 PID */ }

execlp：從 PATH 搜尋並執行程式

函數原型

#include <unistd.h>
int execlp(const char *file, const char *arg, ... /* (char *)NULL */);

關鍵行為

• 從 PATH 環境變數目錄搜尋 file
• 參數列表：arg0（通常為程式名）、arg1...，必須以 (char *)NULL 結尾
• 成功不返回，新程式映像取代當前進程映像（PID 不變）；失敗返回 -1

範例：執行 ls -al /etc/passwd

execlp("ls", "ls", "-al", "/etc/passwd", (char *)0);

組合實戰：fork + execlp + waitpid 實作簡易 Shell

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

#define MAX_ARGS 64

int main(void) {
    char line[1024];
    char *argv[MAX_ARGS];
    
    while (1) {
        printf("mysh> ");
        if (!fgets(line, sizeof(line), stdin)) break;
        line[strcspn(line, "\n")] = 0;  // 移除換行
        
        if (strcmp(line, "exit") == 0) break;
        if (strlen(line) == 0) continue;
        
        // 簡易參數解析
        int argc = 0;
        char *token = strtok(line, " ");
        while (token && argc < MAX_ARGS - 1) {
            argv[argc++] = token;
            token = strtok(NULL, " ");
        }
        argv[argc] = NULL;
        
        pid_t pid = fork();
        if (pid == 0) {
            execvp(argv[0], argv);  // 使用 execvp 自動搜尋 PATH
            perror("execvp");
            exit(EXIT_FAILURE);
        }
        else if (pid > 0) {
            int status;
            waitpid(pid, &status, 0);
            printf("[退出碼: %d]\n", WEXITSTATUS(status));
        }
        else {
            perror("fork");
        }
    }
    return 0;
}

常見陷阱與最佳實踐

掌握 fork → exec → waitpid 經典三部曲，是編寫健壯 Linux 系統程式、Shell、服務管理器的基石。