进程程序替换--模拟实现简易shell

替换原理

用fork创建子进程之后执行的是和父进程相同的程序，接下来的代码由哪个进程去执行就看调度器具体调度了。

但是往往父子进程需要执行不同的代码分支，这时候子进程就需要调用一种exec函数以执行另一个程序分支。

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，从新程序的启动开始执行。

调用exec函数并不创建新进程，所以调用exec前后该进程的id并未改变。

替换过程如下图：

小结：

程序替换不会创建进程，也不会销毁代码。
替换代码和数据从一个可执行文件中来。
原有的堆、栈中数据全部舍弃，根据新代码执行过程构建新的堆、栈内容。

替换函数

exec 函数（exec函数是个统称，它有6种以exec开头的函数）

#include <unistd.h>

int execl(const char *path, const char *arg, ...);
int execlp(const char *file, const char *arg, ...);
//*file为可执行文件名
int execle(const char *path, const char *arg, ..., char *const envy[]);
//最后一个参数envp[]，必须为NULL
int execv(const char *path, char *const argv[]);
int execvp(const char *file, char *const argv[]);
int execve(const char *path, char *const argv[], char *const envy[]);
//最后一个参数envp[]，必须为NULL

可以分为两种，一种是execl开头，另一种是execv开头。

函数解释

这些函数如果调用成功则加载新的程序从启动代码开始执行，不再返回。
如果调用出错则返回-1.
所以exec函数只有出错返回值，没有成功返回值。

函数命名

这些函数原型看起来很相似，很容易让人混淆，但是掌握规律就不难记忆了。

l(list)：表示参数采用变长参数列表
v(vector)：参数用数组
p(path)：有p则自动搜索环境变量PATH
e(env)：表示自己维护环境变量

函数使用

#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>                                                                                                                                                                                
 
int main()
{
     char *const argv[] = {"ps","-ef",NULL};
     char *const envp[] = {"PATH=/bin:user/bin","TERM=console",NULL};
 
     execl("/bin/ps","ps","-ef",NULL);
 
     //带p的，可以使用环境变量PATH，无需写全路径
     execlp("ps","ps","-ef",NULL);
  
     //带e的，需要自己组装环境变量
     execle("ps","ps","-ef",NULL,envp);
 
     execv("/bin/ps",argv);
 
     //带p的，可以使用环境变量PATH，无需写全路径
     execvp("ps",argv);
 
     //带e的，需要自己组装环境变量
     execve("/bin/ps",argv,envp);
 
     exit(0);
 }

⚠️：事实上，只有execve是真正的系统调用，其他五个函数都是最终调用execve，所以execve在man手册第二页，其他函数在man手册第三页。（man手册第二页为系统调用，第三页为库函数）

这些函数之间的关系如下图所示：

简易版本的shell

了解了进程程序替换之后，综合之前的知识，就可以实现一个简易版本的shell。

shell实现原理

用下图来描述shell原理：

解释：

用时间轴来表示事件的发生次序。（时间从左向右）

shell从用户读入字符串“ls”，建立一个新的进程，在子进程中处理ls程序，同时父进程等待子进程结束。

然后shell读取新的一行输入，再建立一个新的进程，在新的子进程中处理ps程序，同时父进程等待新的子进程结束。

所以要写一个shell，需要循环以下过程：

获取命令行
解析命令行
建立一个子进程（fork）
替换子进程（execvp）
父进程等待子进程退出

shell实现代码

#include <stdio.h>                                                                                                                                                                                 
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h> 
#include <string.h>   
#include <fcntl.h>
#include <ctype.h>
#include <sys/wait.h>
                               
#define MAX_CMD 1024     
char command[MAX_CMD];
                                    
int do_face()
{                 
     memset(command,0X00,MAX_CMD);
     printf("minishell$");
     fflush(stdout);
     if(scanf("%[^\n]*c",command) == 0)
     {
         getchar();         
         return -1;
     }            
     return 0;             
 }                    
 
char **do_parse(char *buff)
{    
     int argc = 0;         
     static char *argv[32];
     char *ptr = buff;          
                                                      
     while(*ptr != '\0')
     {                 
         if(!isspace(*ptr))
         {
             argv[argc++] = ptr;
             while((!isspace(*ptr)) && (*ptr) != '\0')
             {                   
                 ptr++;
             }               
         }
         else      
         {         
              while(isspace(*ptr))
             {                    
                 *ptr = '\0';
                 ptr++;
             }                         
         }    
     }             
     argv[argc] = NULL;           
     return argv;         
 }                  
                                       
int do_exec(char *buff)
{                          
     char **argv = {NULL};
                  
     int pid = fork();     
     if(pid == 0)     
     {
         argv == do_parse(buff);
         if(argv[0] == NULL)
         {                 
             exit(-1);     
         }                      
         execvp(argv[0],argv);                        
     }                  
     else              
     {                     
         waitpid(pid,NULL,0);
     }                          
     return 0;                                        
}                               
                       
int main(int argc,char *argv[])
{                     
     while(1) 
     {    
         if(do_face() < 0)       
             continue; 
         do_exec(command);   
     }                 
     return 0;
}