Linux知识点 – 进程控制（二）
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一、进程程序替换
1.概念
fork之后，父子进程各自执行父进程代码的一部分，父子代码共享，数据写时拷贝各自一份，如果子进程想执行一个全新的程序，就需要使用程序替换；
- 程序替换，是通过特定的接口，将磁盘上的一个权限的程序（代码和数据），加载到调用进程的地址空间中；
2.替换原理
- 用fork创建子进程后执行的是和父进程相同的程序（但有可能是不同的代码分支），子进程往往要调用一种exec函数以执行另一个程序。当进程调用一种exec函数时，该进程的用户空间代码和数据完全被新程序替换，从新程序的启动例程开始执行。调用exec并不创建新的进程，所以调用exec前后该进程的id并未改变；
3.进程替换的操作
exec函数：
上图这些函数统称exec函数；
（1）execl函数：
- path：找到程序，路径 + 目标文件名；
- arg，…：可变参数列表，可以传入多个不定个数的参数；
我们在命令行上怎么执行，这里的参数就怎么填；
最后一个参数必须是NULL，标识参数传递完毕； - 不创建子进程：
运行结果：
从结果中可以看出，execl函数执行了我们传给它的"ls -l"指令，但是execl函数之后的代码没有被执行；
因为execl函数是程序替换，调用该函数成功之后，会将当前进程的所有的代码和数据都进行替换，包括已经执行的和没有执行的；所以，一旦调用成功后，execl后面的所有代码都不会执行；
execl调用成功后，没有返回值，一旦execl有返回值，一定是调用失败了，所以execl不需要进行函数返回值判定；
若替换不存在的代码：
运行结果：
execl是不会进行程序替换的；
所以应该直接在execl函数后跟exit(1)，若execl替换失败，一定会执行后面的代码，直接结束进程，查询进程退出码为1，就是调用失败；
- 创建子进程：
父进程阻塞式等待，子进程来进行进程替换，将之后的执行代码替换为 ls -a -l；
运行结果：
- 为什么要创建子进程？
为了不影响父进程，我们想让父进程聚焦在读取数据，解析数据，指派进程执行代码的功能，如果不创建子进程，那么我们替换的进程只能是父进程，如果创建了，替换的就是子进程，而不影响父进程；
子进程在加载新程序的时候，父子进程的代码和数据就已经分离了，而不是像原来一样，代码共用，部分数据写时拷贝；
（2）execv函数：
- path：找到程序，路径 + 目标文件名；
- argv：参数列表，是一个存放命令的参数的指针数组，最后的参数必须为NULL；
execv与execl功能是一样的，只是传参的方式不一样；
运行结果：
（3）execlp函数：
- file：指向文件名的指针；execlp只需给出文件名就可以了，因为函数会自己在环境变量PATH中查找；
- arg，…：可变参数列表，可以传入多个不定个数的参数；
（4）execvp函数：
- file：指向文件名的指针；execlp只需给出文件名就可以了，因为函数会自己在环境变量PATH中查找；
- argv：参数列表，是一个存放命令的参数的指针数组，最后的参数必须为NULL；
（5）execle函数：
- path：找到程序，路径 + 目标文件名；
- arg，…：可变参数列表，可以传入多个不定个数的参数；
- envp：环境变量，可以给替换的程序传入当前进程的环境变量；
test.cc是获取环境变量的程序，获取MY_VAL的值：
单独执行时，获取不到环境变量MY_VAL的值：
在replace.cc的中给环境变量MY_VAL赋值，子进程中使用execle函数进行进程替换，执行test.cc函数：
运行结果：
因为环境变量具有全局属性，可以被子进程继承下来，也可以直接传父进程的main函数的env参数：
（6）execve函数：
*execve是单独在一个手册里的，包含在unistd.h头文件中，这是一个系统调用接口，其他的exec函数都是execve的封装后的接口，用来满足不同场景的调用需求；
- filename：指向文件名的指针；execlp只需给出文件名就可以了，因为函数会自己在环境变量PATH中查找；
- argv：参数列表，是一个存放命令的参数的指针数组，最后的参数必须为NULL；
- envp：环境变量，可以给替换的程序传入当前进程的环境变量；
总结：
- l代表第二个参数为可变参数列表；
- v代表第二个参数为参数指针数组；
- p代表可以在环境变量中查找文件，第一个参数可以传文件名；没有p代表第一个参数需要传文件路径；
- e代表自己维护环境变量
4.使用exec函数执行自己写的程序
- 先写一个读取命令行参数的程序mycmd.cc：
- 使用execlp函数在子进程中运行自己的mycmd：
文件路径采用绝对路径； - 编写一次能生成两个可执行程序的makefile：
- 运行结果：
- 若execlp的文件路径采用相对路径，运行结果为：
运行成功；
5.使用exec函数执行其他语言的程序
- python
运行结果：
- bash
运行结果：
二、编写一个简易的shell
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/wait.h>
#include <sys/types.h>
#define NUM 1024
#define SIZE 32
#define SEP " "
//保存完整的命令行字符串
char cmd_line[NUM];
//保存打散之后的命令行字符串
char* g_argv[SIZE];
//用于保存环境变量，使其不被刷新覆盖
char g_myval[64];
//shell运行原理，让子进程执行命令，父进程等待&&解析命令
int main()
{
extern char** environ;//使用父进程的环境变量，可以通过main函数的参数，也可以导入environ指针
//命令行解释器：一定是一个常驻内存的进程，不退出
while(1)
{
//1.打印出提示信息 [lmx@localhost myshell]#
printf("[lmx@localhost myshell]# ");
fflush(stdout);//由于printf没有加\n，不刷新缓冲区，使用fflush刷新
memset(cmd_line, '\0', sizeof cmd_line);//sizeof可以不使用括号
//2.获取用户的键盘输入，输入的是各种指令和选项："ls -a -l"
if(fgets(cmd_line, sizeof cmd_line, stdin) == NULL)
{
continue;
}
cmd_line[strlen(cmd_line) - 1] = '\0';//去掉输入时的\n
//"ls -a -l\n\0"
//3.命令行字符串解析："ls -a -l" -> "ls" "-a" "-l"
g_argv[0] = strtok(cmd_line, SEP);//第一次调用，要传入原始字符串
int index = 1;
if(strcmp(g_argv[0], "ls") == 0)
{
g_argv[index++] = "--color=auto";
}
if(strcmp(g_argv[0], "ll") == 0)
{
g_argv[0] = "ls";
g_argv[index++] = "-l";
g_argv[index++] = "--color=auto";
}
while(g_argv[index++] = strtok(NULL, SEP));//第二次，如果还要继续解析原始字符，传入NULL
//导入环境变量
if(strcmp(g_argv[0], "export") == 0 && g_argv[1] != NULL)
{
strcpy(g_myval, g_argv[1]);//将环境变量保存到全新字符串中，不让它被下一个指令刷新，以至于子进程拿不到环境变量
int ret = putenv(g_myval);
if(ret == 0)
{
printf("%s export success\n", g_argv[1]);
}
continue;
}
//4.TODO:内置命令，让父进程（shell）自己执行的命令，叫做内置命令，内建命令
//内置命令本质是shell中的一个函数调用
if(strcmp(g_argv[0], "cd") == 0)//如果命令是cd，改变工作目录，需要在父进程实现
//子进程的cd变换的只是子进程的路径，父进程不会变
{
if(g_argv[1] != NULL)
{
chdir(g_argv[1]);//改变工作目录
}
continue;
}
//5.fork()
pid_t id = fork();
if(id == 0)//child
{
printf("child, MYVAL: %s\n", getenv("MYVAL"));
printf("child, PATH: %s\n", getenv("PATH"));
execvp(g_argv[0], g_argv);
exit(1);
}
//father
int status = 0;
pid_t ret = waitpid(id, &status, 0);//阻塞等待
if(ret > 0)
{
printf("exit code: %d\n", WEXITSTATUS(status));
}
}
return 0;
}
效果：
导入环境变量：
