Linux 進程核心概念深度解析：從靜態程式碼到動態實體、PCB、fork/exec、僵屍進程與 init 收養機制

什麼是進程？

程式碼靜態存放於磁碟，載入記憶體獲得生命，由 CPU 動態執行。為管理多進程並行，核心為每個進程建立 PCB (Process Control Block，任務控制塊)，包含：

• PID (唯一識別碼，pid_t)
• 狀態 (Running、Sleeping、Stopped、Zombie)
• CPU 寄存器現場
• 虛擬記憶體描述符
• 控制終端、當前工作目錄 (CWD)、umask
• 檔案描述符表 (指向 file 結構體)
• 訊號處理資訊
• UID/GID、Session/PGID
• 資源上限 (RLIMIT)

進程創建：fork + exec

1. fork()：複製父進程 PCB、分配記憶體、複製程式碼段 (唯讀共享)、複製資料段 (私有 Copy-on-Write)。
   返回值：父進程得子進程 PID、子進程得 0、失敗 -1。
2. exec() 族函數：子進程調用，以新程式映像完全取代原程式碼，從新程式 main() 開始執行。PID 不變，成功不返回，失敗返回 -1。
   典型模式：if ((pid = fork()) == 0) { execl(...); }

進程終止與清理

• 正常終止：關閉檔案描述符、釋放使用者空間記憶體、PCB 保留退出狀態。
• 異常終止：PCB 保留終止訊號。
• 父進程呼叫 wait() / waitpid() 讀取狀態並徹底釋放 PCB。
• Shell 為前景進程父進程，自動 wait 並將退出碼存入 $?。

僵屍進程與 init 收養

• 進程終止但父進程未 wait → 僵屍狀態 (Z)。kill 無效 (已死)。解決：kill 父進程 → 進程被 init (PID 1) 收養 → init 週期性 wait 清理。
• 父進程先終止 → 子進程由 init 收養 (無論存活或僵屍)。

wait/waitpid 原型

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

返回清理的子進程 PID，錯誤 -1。父進程呼叫時可能阻塞 (子進程皆執行中)、立即返回 (有僵屍子進程)、錯誤 (無子進程)。