Linux知识点 -- 进程控制（二）

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 
  #include 
  #include 
  #include 
  #include 
  #include 
  
  #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];
  
  //shell运行原理，让子进程执行命令，父进程等待&&解析命令
  int main()
  {
      //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
  
          //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
          {
              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：