4. 进程生命周期：创建、执行、等待与终止

进程在 Linux 内核中并非静态实体，而是经历一套严格的状态转换：从 创建 (fork) 开始，经过 执行 (exec)，进入 就绪/运行/等待 状态，最终通过 终止 (exit) 并由父进程通过 等待 (wait4) 回收资源。本章深入剖析这一完整生命周期，重点解读 exit() 与 wait4() 系统调用的内核实现。

4.1 进程生命周期的四个阶段

一个进程从诞生到消亡，在内核中经历以下核心阶段：

4.2 进程终止：exit() 系统调用

用户态程序通过 exit(int status) 或从 main() 返回触发终止流程。内核入口为 sys_exit()，实际工作由 do_exit() 完成。

4.2.1 do_exit() 执行步骤

1. 设置退出标志： 将当前进程状态设为 EXIT_ZOMBIE，记录退出码 current->exit_code。
2. 释放资源： 依次释放 mm_struct（地址空间）、文件描述符表、信号结构、命名空间等。
3. 通知父进程： 调用 exit_notify()，向父进程发送 SIGCHLD 信号。
4. 进程再父化： 如果父进程已先退出，将当前进程托付给 init 进程（PID 1）。
5. 调度退出： 调用 schedule() 选择新进程运行，当前进程不再被调度。

// kernel/exit.c (简化逻辑)
void do_exit(long code) {
    struct task_struct *tsk = current;

    set_current_state(TASK_DEAD);          // 设置死亡状态
    tsk->exit_code = code;                 // 保存退出码

    exit_mm(tsk);                          // 释放地址空间
    exit_files(tsk);                       // 释放文件描述符
    exit_signal(tsk);                      // 释放信号结构

    exit_notify(tsk);                      // 通知父进程 + 再父化
    schedule();                            // 切换出去，不再返回
}

4.3 父进程等待：wait4() 系统调用

wait4() 是父进程回收子进程退出状态的核心系统调用。用户态常见的 wait()、waitpid() 最终都调用 sys_wait4()。

4.3.1 wait4() 内核流程

4.3.2 关键选项解析

• WNOHANG： 如果没有子进程退出，立即返回 0，不阻塞。
• WUNTRACED： 也返回因信号停止的子进程状态。
• WCONTINUED： 也返回因 SIGCONT 恢复运行的子进程状态。

// 用户态典型用法
pid_t pid = fork();
if (pid == 0) {
    // 子进程
    exit(42);
} else {
    int status;
    waitpid(pid, &status, 0);          // 阻塞等待子进程退出
    if (WIFEXITED(status)) {
        printf("exit code: %d\n", WEXITSTATUS(status));
    }
}

4.4 僵尸进程与孤儿进程

4.5 进程生命周期完整流程图

4.6 进程生命周期中的关键数据结构变化

4.7 父子进程同步机制

exit() 与 wait4() 之间通过内核的 等待队列 (wait queue) 和 SIGCHLD 信号 实现同步：

• 子进程 exit 时： 调用 exit_notify()，遍历父进程的 wait_chldexit 等待队列，唤醒所有因 wait4() 阻塞的父进程。
• 父进程 wait4 时： 若子进程尚未退出，父进程将自己加入 wait_chldexit 队列，调用 schedule() 进入睡眠。
• 信号辅助： 子进程 exit 时发送 SIGCHLD，父进程若设置了信号处理函数，可在信号上下文中调用 waitpid() 实现异步回收。