Learning Objectives
- 說明 fork 為什麼回傳兩次，以及子行程改變數為什麼不影響父行程
- 算出一段含 fork 的程式會產生幾個行程、印出幾行
- 說明 exec 換掉了什麼、留下了什麼
- 用 wait 取得結束碼，解釋殭屍與孤兒是怎麼出現的
- 用 fork、exec、wait 寫出一個迷你 Shell
Shell 也只是一支普通的程式
在終端機打 ls 按下 Enter，發生了什麼事？ls 是磁碟上的另一支程式，Shell（bash、zsh）也是一支普通程式，它沒有任何特權。它做的事只有三步：
fork() 複製自己，得到一個子行程
exec() 子行程把自己換成 ls
wait() 父行程（Shell）等 ls 結束，再印下一個提示字元
在 Linux 這類 Unix 系統上，新程式傳統上都是這樣跑起來的。建立行程和換掉程式是兩個分開的動作，這個設計看起來繞路，下一課會看到它的好處：在 fork 和 exec 之間，子行程可以先把輸出導到檔案或管線。
這一課會把三個呼叫各自拆開看，最後你會自己寫一個迷你 Shell。
fork 回傳兩次
fork() 複製目前的行程。呼叫一次，回來時變成兩個行程都從 fork 的下一步繼續，差別只有回傳值：
| 誰 | fork 回傳 |
|---|---|
| 父行程 | 子行程的 pid（大於 0） |
| 子行程 | 0 |
| 失敗時（只有父行程，沒有子行程） | -1 |
所以程式都寫成這樣，用回傳值分流（pid_t 就是存 pid 的整數型別）：
pid_t pid = fork();
if (pid == 0) {
// 只有子行程會走這裡
} else {
// 只有父行程會走這裡
}
子行程得到一份父行程位址空間的複本：全域變數、堆疊、堆積，連 stdio 緩衝區都一起。之後兩邊各改各的，互不影響。（真實的核心不會真的把記憶體全部複製一份，它用「寫入時複製」，第 14 課會看到。）
fork 之後誰先跑沒有保證，由排程器決定。程式如果需要特定的順序，要自己用 wait 這類方法安排。
算 fork 會產生幾個行程
每個執行到 fork() 的行程都會多出一個。連續 n 個 fork，行程數每次翻倍：
fork();
fork();
printf("hi\n");
第一個 fork 之後：A、B
第二個 fork 之後：A 生出 C，B 生出 D
A
├── B
│ └── D
└── C
四個行程都會執行 printf，真正的 Linux 上印出四行：
hi
hi
hi
hi
在真正的 Linux 上實際執行的結果（Compiler Explorer 的 Linux x86-64 環境，gcc 13.3，2026-11-04）。
算的方法是畫出樹：從第一行開始，遇到 fork 就分叉，兩條路都從下一步繼續走。別只用公式，有 if 的時候只有一邊會繼續：
if (fork() == 0) {
fork();
}
printf("hi\n");
父行程不進 if，子行程再 fork 一次，總共三個行程、三行。
這也是為什麼不要跑 fork 炸彈：while (1) fork(); 的行程數會不斷翻倍，很快用完系統的行程數上限，連登入新的 Shell 都不行。真實系統用 ulimit -u 和 cgroup 限制行程數來防範。
緩衝區跟著 fork 複製
剛才的 hello 出現兩次，是因為它還在 stdio 緩衝區，而緩衝區就是行程記憶體的一部分，fork 把它一起複製了。真正的 Linux 上也一樣：
printf("hello ");
pid_t pid = fork();
if (pid == 0) printf("child\n");
else { wait(NULL); printf("parent\n"); }
hello child
hello parent
在真正的 Linux 上實際執行的結果（Compiler Explorer 的 Linux x86-64 環境，gcc 13.3，2026-11-04）。
有換行也可能中招。輸出接到檔案或管線時是全緩衝，換行不會觸發 write。下面這支程式迴圈裡只有父行程在印，子行程什麼都沒印就 exit(0)，輸出卻是這樣：
for (int i = 1; i <= 3; i++) {
pid_t pid = fork();
if (pid == 0) exit(0);
wait(NULL);
printf("第 %d 個子行程結束了\n", i);
}
第 1 個子行程結束了
第 1 個子行程結束了
第 2 個子行程結束了
第 1 個子行程結束了
第 2 個子行程結束了
第 3 個子行程結束了
在真正的 Linux 上實際執行的結果（Compiler Explorer 的 Linux x86-64 環境，gcc 13.3，2026-11-04）。
每個子行程都帶著父行程緩衝區裡還沒送出的內容，exit 會在結束前清空緩衝區，內容就多印了一次。兩個常見的解法：fork 之前 fflush，或者子行程用 _exit 結束，_exit 直接請核心結束行程，不清 stdio 緩衝區。
exec 換掉程式，pid 和 fd 留著
exec 系列把目前行程的程式換成另一支。舊的程式碼、全域變數、堆疊、堆積全部消失，新程式從 main 開始。成功時不會回傳，因為呼叫它的程式已經不在了；回傳了就代表失敗。
execl("./worker", "worker", NULL); // 路徑；接著是 argv 的每一項，最後一定要 NULL
perror("execl"); // 走到這裡一定是失敗了
名字裡的字母說明傳參數的方式：
| 字母 | 意思 | 例子 |
|---|---|---|
l |
參數一個一個列出來（list） | execl、execlp |
v |
參數放在陣列（vector） | execv、execvp |
p |
第一個參數不含 / 時，到 PATH 找程式 |
execlp("ls", "ls", NULL) |
注意 "worker" 寫了兩次：第一個是要執行的檔案，第二個是新程式看到的 argv[0]。
有些東西不會被換掉：
| 換掉 | 留著 |
|---|---|
| 程式碼、資料、堆積、堆疊 | pid、父行程 |
| stdio 緩衝區（還沒送出的內容就消失了） | 開著的檔案描述子（除非設了 close-on-exec） |
| 自訂的訊號處理函數（恢復預設） | 被設成忽略的訊號 |
fd 留著是 Shell 能做重新導向的關鍵：先把 fd 安排好，再 exec，新程式不知不覺就接到了。
真正的 Linux 上執行自己一次，pid 沒有變；第一次 exec 的路徑不存在，所以回傳失敗、程式繼續走：
exec 之前 pid = 2
exec 失敗才會走到這裡：No such file or directory
exec 之後 pid = 2，argv[0] = new-name
在真正的 Linux 上實際執行的結果（Compiler Explorer 的 Linux x86-64 環境，gcc 13.3，2026-11-04）。
（/proc/self/exe 是指向自己這個執行檔的路徑，這裡拿來示範 exec 自己。這個環境沒有 echo 這些指令可以 exec，所以成功 exec 別的程式的畫面在下面的練習裡看。）
fd 留著也可以驗證：exec 之前打開一個檔案，拿到 fd 3，exec 之後新程式直接讀 fd 3。
exec 之前 fd = 3
exec 之後讀 fd 3：回傳 5，內容 note
在真正的 Linux 上實際執行的結果（Compiler Explorer 的 Linux x86-64 環境，gcc 13.3，2026-11-04）。
wait、結束碼、殭屍與孤兒
wait(&status) 讓父行程等任一個子行程結束，核心把結果寫到 status 指到的地方（&status 就是把變數的位址交給它），回傳那個子行程的 pid。status 不是結束碼本身，要用巨集拆開：
| 巨集 | 意思 |
|---|---|
WIFEXITED(status) |
是不是自己正常結束 |
WEXITSTATUS(status) |
結束碼；只有低 8 位元 |
WIFSIGNALED(status) |
是不是被訊號終止 |
WTERMSIG(status) |
被哪個訊號終止 |
結束碼只有 8 位元，所以 exit(256) 在父行程看來是 0，會被當成成功：
exit(7) 父行程看到 7
exit(256) 父行程看到 0
exit(300) 父行程看到 44
在真正的 Linux 上實際執行的結果（Compiler Explorer 的 Linux x86-64 環境，gcc 13.3，2026-11-04）。
殭屍（zombie）：子行程結束了，父行程可能還沒來問結果。核心不能馬上把這個行程的資料全部丟掉，要留著 pid 和結束碼等父行程來收，這段時間它就是殭屍。它的記憶體已經還給系統，只佔一個行程表的位置。真正的 Linux 上看得到：
子行程結束了、父行程還沒 wait：
State: Z (zombie)
wait 之後，結束碼 7：
/proc/<pid>/status 已經不存在
在真正的 Linux 上實際執行的結果（Compiler Explorer 的 Linux x86-64 環境，gcc 13.3，2026-11-04）。
少數幾個殭屍無傷大雅。長期執行的伺服器如果不斷 fork 又不 wait，殭屍會累積到把行程數上限用完，新的行程就建立不起來。
孤兒（orphan）：父行程先結束，子行程還在跑。子行程會被 init（pid 1）或指定的 subreaper 行程收養，將來由新的父行程來 wait，所以孤兒不會永遠變成殭屍。
為什麼 cd 不是一支程式
迷你 Shell 的結構和 bash 相同，真正的 Shell 只是多了解析指令、重新導向、管線、背景執行。
不過有些指令不能用 fork 加 exec 做。cd 要改變的是 Shell 自己的工作目錄，如果交給子行程，改的是子行程那一份，子行程結束之後 Shell 還在原地。所以 cd、exit 這些是 Shell 自己內建的指令。這也是 fork 語意的直接結果：子行程改不到父行程。
確認一下
這段程式會印出幾行？
fork();
fork();
fork();
printf("x\n");
這段程式會印出幾行？
if (fork() == 0) {
fork();
}
printf("x\n");
這段程式印出什麼？
int x = 1;
if (fork() == 0) {
x = 2;
exit(0);
}
wait(NULL);
printf("%d\n", x);
execlp("ls", "ls", NULL) 成功之後，下一行程式什麼時候執行？
子行程已經結束，核心為什麼還要保留它的殭屍資料？
為什麼 cd 必須是 Shell 的內建指令，不能做成外部程式？
重點整理
fork回傳兩次：父行程拿到子行程的 pid，子行程拿到 0。之後兩邊各有一份記憶體，包含 stdio 緩衝區。- 算 fork 次數要畫樹，每個走到 fork 的行程都會分叉。
exec換掉程式，保留 pid 和開著的 fd。成功就不回傳，後面的程式碼只有失敗才會跑。wait取得結束資訊，結束碼只有 8 位元。還沒被 wait 的已結束行程是殭屍；父行程先走的是孤兒，會被收養。- Shell 就是一個重複 fork、exec、wait 的迴圈。
下一課利用「fd 會留過 exec」，把兩支互不認識的程式接起來：管線、重新導向與訊號。