【Linux】进程控制 — 进程程序替换 + 实现简易shell

前言

上一节我们讲了进程终止和进程等待等一系列问题，并做了相应的验证，本章将继续对进程控制进行学习，我们将学习进程程序替换，进行相关验证，运用系统进程程序替换接口，自己模拟写一个shell，该shell能够实现执行指令，等一系列命令行操作……

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1. 进程程序替换

1.1 程序替换的概念：

概念引入：

将可执行程序加载到内存，并且重新调整子进程的页表映射，使之指向新的进程的代码和数据段，这种过程就叫做程序替换。

子进程执行的是父进程的代码片段，那么如果我们想让创建出来的子进程，执行全新的程序呢？

此时就要用到：进程的程序替换。

1.2 为什么要程序替换：

原因：

• 原因是我们想让我们的子进程执行一个全新的程序。
• 不同语言写的功能互相调用，这就是为什么要有程序替换的原因。

我们一般在服务器设计（Linux编程）的时候，往往需要子进程干两件种类事情：

• • 1.让子进程执行父进程的代码片段（服务器代码）
• • 2.让子进程执行磁盘中一个全新的程序（shell， 想让客户端执行对应的程序，通过我们的进程，执行其他人写的进程代码等等）C/C++ -> C/C++/Python/Shell/Php/Java…

1.3 程序替换的原理：

程序替换的原理：

• 将磁盘中的程序，加载入内存结构。
• 重新建立页表映射，谁执行程序替换，就重新建立子进程的映射关系。

效果：让我们的父进程和子进程彻底分离，并让子进程执行一个全新的程序！

父进程的映射关系：

程序替换之后，子进程的映射关系：

调整子进程的页表，让其不再与父进程代码和数据有任何关系，而是指向自己的代码和自己的数据区。

注意：

• 请问：这个过程有没有创建新的讲程呢？
• —— 没有！！！

小结：

• 说白了就是让fork创建子进程，不想让子进程执行父进程代码片段。
• 我们想让子进程执行磁盘当中全新的程序，而且我们没有创建新的进程。
• 因为子进程的内核数据结构基本没变，只是重新建立了虚拟到物理的映射关系罢了。
• 包括子进程的PID都不变，压根就没有创建新的进程，只不过让新的进程执行了不同的程序罢了。

每一个进程都有自己的CPU上下文，进程切换时会保存CPU数据。

2. 六个exec替换函数

上述我们讲了什么是程序替换，下面就要来见见猪跑了。
程序替换是由操作系统完成的，调用系统调用接口来完成操作。

• 我们如果想执行一个全新的程序，我们需要做几件事情：

• 先找到这个程序在哪里？ —— 程序在那里
• 程序可能携带选项进行执行（也可以不携带） —— 怎么执行

明确告诉OS，我想怎么执行这个程序是什么，要不要带选项。
我们平时在命令行中敲的指令都是一个一个可执行程序。

• 程序替换的是子进程：（重点）

• 进程替换永远影响的是进程的本身，子进程的替换永远不会影响父进程，因为进程具有独立性。
• 独立性体现在内核层面，不同进程有不同的地址空间，有不同的页表替换只是加入新的代码和数据。
• 重新建立的是页表映射但并不影响内核数据结构的具体情况。
• 子进程虽然和父进程代码共享数据写实拷贝，但是一旦发生进程替换了，就认为代码和数据发生了双写实拷贝，就彻底将两个进程分开了。
• 所以引入子进程的原因就是，一方面把需求做到位，另一方面不影响父进程，因为父进程可能还要接收新的命令，再去执行新的程序。

六个exec替换函数：

2.1 execl函数：

int execl(const char *path, const char *arg, ...);

path：

• 这个是路径，可执行程序的路径。

arg：

• 命令行怎么写(1s -1 -a)， 这个参数就怎么填"ls"，“-l”，“-a”，最后必须是NULL结尾
• 标识 “如何执行程序的” 参数传递完毕

… ：

• 可变参数，可以传多个参数

第一个参数是解决了，程序在哪里的问题，第二个参数往后所有的参数，解决的都是程序如何执行的问题。

代码演示：

#include 
#include 

int main()
{
    //让我的程序执行系统上的: ls -a -i这样的一个命令
    printf("我是一个进程，我的pid是 : %d\n", getpid());

    //int ret = execl("/usr/bin/ls", "ls", "-l", "-a", NULL); //带选项
    //execl("/usr/bin/top", "top", NULL); //不带选项
    //execl("/usr/bin/which", "which", "pwd", NULL); //不带选项

    //下面这行代码没有打印出来
    //一旦代码执行到这里，必然是进程替换失败了
    
    //替换失败的情况
    int ret = execl("/usr/bin/lsssss", "ls", "-l", "-a", NULL); //带选项
    printf("我执行完毕了，我的pid : %d, ret = %d\n", getpid(), ret);

    return 0;
}

一旦进程替换成功了，就不会再执行程序替换函数以后的代码了，因为直接去是该进程被替换掉了。

显而易见，代码中程序替换以后的打印内容并没有显示出来，说明进程替换以后的代码压根就没执行，而是去执行ls进程了。

总结：

• 一旦替换成功，是将当前进程的代码和数据全部替换了！！
• 前一个printf被执行是因为程序替换并没有执行。
• 所以替换上面的代码依旧是当前进程执行执行，execl之后代码就不复存在了。

所以程序替换不用判断返回值：

不需要返回值，一旦有值返回那么必然是返回失败了！！！因为只要成功了，就不会有返回值，而失败的时候，必然会继续向后执行！！最多通过返回值得到什么原因导致的替换失败！

引入进程创建：

• 子进程执行程序替换，会不会影响父进程呢？？
• • 不会（因为进程具有独立性）
• 为什么，如何做到的？？
• • 数据层面发生写时拷贝！
• • 当程序替换的时候，我们可以理解成为，代码和数据都发生了写时拷贝完成父子的分离！

)

2.2 execv函数：

int execv(const char *path, char *const argv[]);

实现的功能和execl一模一样。

path：

• 这个是路径，可执行程序的路径。

argv[]：

• 如何执行，和execl的唯一区别就是传参方式的不一样

代码演示：

#include 
#include 
#include 
#include 

int main()
{
    printf("我是父进程，我的pid是：%d\n", getpid());
    pid_t id = fork();
    if(id == 0)
    {
        //子进程
        //我们要子进程执行全新的程序，以前我们是子进程执行父进程的代码片段
        
        printf("我是子进程，我的pid是：%d\n", getpid());
        //char* const argv_[] = {
        //    (char*)"ls",
        //    (char*)"-l",
        //    (char*)"-a",
        //    (char*)"-i",
        //    NULL
        //};
        
        char* const argv_[] = {
            (char*)"top",
            NULL 
        };

       //execv("/usr/bin/ls", argv_);

       execv("/usr/bin/top", argv_);   
    }

    //一定是父进程
    int status = 0;
    int ret = waitpid(id, &status, 0);
    if(ret == id)
    {
        sleep(2);
        printf("进程等待成功！\n");
    }

    return 0;
}

程序替换不仅可以替换成指令，还可以替换成我们自己写的可执行程序。

• 用exec系列，这种系统级的函数，可以把任何语言耦合到一起。
• 任何程序都可以用系统级接口调用其他语言的。
• 所以说操作系统是所有技术的基座。

2.3 execlp函数：

int execlp(const char *file, const char *arg, ...);

file：

• 你想执行什么程序。 —— 找到它
• 执行指令的时候，默认的搜索路径，在哪里搜索呢？—— 环境变量PATH
• 命名带p的，可以不带路径，只说出你要执行哪一个程序即可！

arg：

• 想如何执行它

代码演示：

#include 
#include 
#include 
#include 

//有时候不想让父进程做一件事，只想让子进程做一件事
//将进程创建引入进来

int main()
{
    printf("我是父进程，我的pid是：%d\n", getpid());
    pid_t id = fork();
    if(id == 0)
    {
        //子进程
        //我们要子进程执行全新的程序，以前我们是子进程执行父进程的代码片段
        
        printf("我是子进程，我的pid是：%d\n", getpid());

        execlp("ls", "ls", "-a", "-l", "-i", NULL);//这里出现了两个ls，含义一样吗？-- 不一样！
        //第一个参数是供系统去找要执行谁的指令，后面一坨是表示如何执行该指令

        exit(100); //只要执行了exit，就意味着，execl系列的函数失败了 -- 进程替换失败了
    }

    //一定是父进程
    int status = 0;
    int ret = waitpid(id, &status, 0);
    if(ret == id)
    {
        sleep(2);
        printf("wait success, ret : %d, 我所等待子进程的退出码: %d, 退出信号是: %d\n", ret, (status >> 8) & 0xFF, status & 0x7F);
    }

    return 0;
}

作用和execI和execv是一样的，也是执行一个新的程序。

2.4 execvp函数：

int execvp(const char *file, char *const argv[]);

file：

• PATH找，只要程序名即可。

argv[]：

• 如何执行，将命令行参数字符串，统一放入数组中即可完成调用！

2.5 execle函数：

int execle(const char *path, const char *arg, ..., char * const envp[]);

envp[]：

• 环境变量

execle：test.c程序替换代码演示：

#include 
#include 
#include 
#include 

int main()
{
    //环境变量的指针声明
    extern char** environ;

    printf("我是父进程，我的pid是：%d\n", getpid());
    pid_t id = fork();
    if(id == 0)
    {
        //子进程
        //我们要子进程执行全新的程序，以前我们是子进程执行父进程的代码片段
        
        printf("我是子进程，我的pid是：%d\n", getpid());

        //绝对路径
        //execl("/home/Zh_Ser/linux/lesson16/mycmd", "mycmd", NULL);
        
        //相对路径
        //execl("./mycmd", "mycmd", NULL);
        
        //我们来手动导入一个环境变量
        char* const env_[] = {
            (char*)"MYPATH=You Can See Me!!",
            NULL 
        };

        //e: 添加环境变量给目标进程，是覆盖式的！
        //execle("./mycmd", "mycmd", NULL, env_);
        
        //execle("/usr/bin/ls", "ls", NULL, env_);

        execle("./mycmd", "mycmd", NULL, environ);

        exit(100); //只要执行了exit，就意味着，execl系列的函数失败了 -- 进程替换失败了
    }

    //一定是父进程
    int status = 0;
    int ret = waitpid(id, &status, 0);
    if(ret == id)
    {
        sleep(2);
        printf("进程等待成功！\n");
    }

    return 0;
}

上述代码代码在程序替换的时候，执行了./mycmd，目的是手动导入环境变量的时候，执行./mycmd获取导入的环境变量。

mycmd.cpp代码演示：

#include 
#include 
#include 
#include 

using namespace std;

int main()
{
    extern char** environ;

    cout << "打印环境变量" << endl;
    for (int i = 0; environ[i]; i++)
    {
        printf("%d: %s\n", i, environ[i]);
    }

    cout << "+++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++" << endl;
    //根据环境变量名，获取环境变量的内容
    cout << "PATH:" << getenv("PATH") << endl;
    cout << "----------------------------------------------" << endl;
    cout << "MYPATH:" << getenv("MYPATH") << endl;
    cout << "----------------------------------------------" << endl;
    
    //程序崩溃了 -- 因为环境变量里根本就没有MYPATH  
    
    cout << "Hello World!" << endl;
    cout << "Hello World!" << endl;
    cout << "Hello World!" << endl;
    cout << "Hello World!" << endl;

    return 0;
}

mycmd是为了获取环境变量。

如果我们用这种方式导入环境变量：

出现的情况：

将mycmd.cpp中的getenv(“PATH”)给屏蔽掉，再执行test结果就可以将MYPATH打印出来：

e: 添加环境变量给目标进程，是覆盖式的！所以环境变量只剩下MYPATHT。

子进程会继承父进程的环境变量的！！（重点）

• 子进程会继承父进程的环境变量，当父进程调用fork()创建子进程时，子进程会继承父进程的所有环境变量。
• 当子进程调用execlp()等函数执行其他程序时，子进程也会继承父进程的环境变量。
• 如果需要在子进程中更改环境变量，可以使用setenv()或putenv()等函数进行更改。
• 但是，更改的环境变量只会影响当前进程和它的子进程，并不会影响父进程或其他进程的环境变量。

如何理解覆盖？（重点）

• 当子进程调用execle()函数替换自己的程序时，可以传递一个新的环境变量数组，以覆盖子进程继承的父进程的环境变量。如果不传递新的环境变量数组，子进程会继承父进程的环境变量。因此，如果在调用execle()函数时没有传递新的环境变量数组，子进程的环境变量不会被覆盖。
• 如果传递了新的环境变量数组，则子进程的环境变量将被替换为新的环境变量数组中的值。这可能会导致子进程无法访问父进程中的一些环境变量，除非在新的环境变量数组中显式地包含它们。

验证execle覆盖了子进程会继承父进程的环境变量：

• 我们执行test程序的时候
• 调用execle接口，程序替换去执行mytest
• 既然mytest是替换了子进程，它就会继承父进程的全部环境变量
• execle函数我们传了一个env_将子进程的环境变量覆盖了

我们在mycmd程序开始的地方，加了查看全部环境变量的代码：

extern char** environ;

for (int i = 0; environ[i]; i++)
{
	printf("%d: %s\n", i, environ[i]);
}

目的是通过该代码查看子进程（mycmd）的环境变量，被execle传的env_覆盖之后的样子：

显而易见，子进程的环境变量只有env_[]的内容了！！！所以getenv("PATH")才获取不到！！！

正确做法：

我们将全部环境变量传过去，将environ传过去。

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补充：（重点）

• ls 是一个常见的系统命令，它通常位于系统的某个标准路径（如 /bin 或 /usr/bin）。即使 PATH 为空，execlp() 会检查这些标准路径，找到 ls 的可执行文件并执行它。
• 可能是直接在execlp中定义好的路径了，所以 PATH 环境变量没了也可以找到。

详细说明：

• 如果PATH环境变量为空，execlp()函数会无法在环境变量中查找可执行文件的路径。但是，execlp()函数会检查一些默认路径，例如/bin、/usr/bin等，来查找可执行文件。因此，即使PATH为空execlp()函数也可能会在这些默认路径中找到可执行文件并执行它。
• 但是，如果在默认路径中也找不到可执行文件，则execlp()函数会执行失败，并将errno设置为ENOENT，表示无法找到可执行文件。因此，如果需要执行特定路径下的可执行文件，最好使用execv()或execve()等函数，并指定可执行文件的完整路径。这样可以避免依赖PATH环境变量来查找可执行文件的路径。

验证：

• 我们在在mycmd程序中再进行程序替换
• 用execlp函数第一个参数是在PATH路径下找的可执行文件
• mycmd进程的环境变量中只有一句话（只有MYPATH了）
• 但是我们照样可以在mycmd中进行程序替换执行出ls的结果！！

即使我们将父进程中的PATH给改了，命令行中都用不了ls，execlp照样可以找到ls并执行它。

2.6 execvpe函数：

int execvpe(const char *file, char *const argv[], char *const envp[]);

有了上面的基础这个想必就不用再啰嗦了，只是第二个参数传的不同，这里传的是一个指针数组。

这些函数原型看起来很容易混,但只要掌握了规律：

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

为什么有那么多的接口？

• 目的是：适配应用场景
• 其实上述函数都是对系统接口的封装

严格意义来说不是系统接口，是基于系统接口之上的封装。

真正意义上的系统接口：

int execve(const char *filename, char *const argv[], char *const envp[]);

上述6个函数在执行时都会调用execve()函数，将参数列表和环境变量数组转换为execve()函数所需的格式，并调用execve()函数来执行可执行文件。因此，execve()函数是这些函数的底层实现。

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3. 实现简易版shell

只要我们懂得了程序替换的原理，会用程序替换的接口，就很好理解：

• shell本身执行起来就是个死循环
• 我们命令行就是去执行其他程序
• shell创建子进程，将子进程给替换掉就ok了
• 过程中要获取输入指令等操作…

myshell代码实现：

#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 

#define SEP " "
#define NUM 1024
#define SIZE 128

char command_line[NUM];
char* command_args[SIZE];

char env_buffer[NUM];

extern char** environ;

//对应上层的内建命令
int ChangeDir(const char* new_path)
{
    chdir(new_path);

    return 0;//调用成功
}

void PutEnvInMyShell(char* new_env)
{
    putenv(new_env);
}

int main()
{
    //shell本质就是一个死循环
    
    while(1)
    {
        //不关心获取这些属性的接口，搜索一下都有
        
        //1.显示提示符
        printf("[用户名@我的主机名 当前目录]# ");
        fflush(stdout);

        //2.获取用户输入
        memset(command_line, '\0', sizeof(command_line));

        //从键盘获取，标准输入，stdin，获取到的是C风格的字符串(stdio.h结尾的)，'\0'结尾
        fgets(command_line, NUM, stdin);
        command_line[strlen(command_line) - 1] = '\0';//清空\n回车
        //printf("%s\n", command_line);

        //3. "ls -a -l -i" -> "ls" "-a" "-l" "-i" 字符串切分 -- 因为这些参数一定得以列表或者数组方式传递给程序替换接口
        //shell必须切分，因为必须调用execl函数
        
        //将第一个字符串地址用0号下标指向，第二个字符串地址用1号下标指向 
        command_args[0] = strtok(command_line, SEP);

        int index = 1;

        //给ls命令添加颜色: 如果提取出来的程序名是ls -- 1下标设置成改颜色的
        if(strcmp(command_args[0], "ls") == 0) command_args[index++] = (char*)"--color=auto";

        //strtok截取成功返回字符串起始地址
        //截取失败，返回NULL
        while(command_args[index++] = strtok(NULL, SEP));
        
        //for debug
        //int i = 0;
        //for(i = 0; i < index; i++)
        //{
        //    printf("%d : %s\n", i, command_args[i]);
        //}
        
        //4.TODO -- 编写后面的逻辑，内建命令(由父Shell自己实现的自己调用的一个函数)
        if(strcmp(command_args[0], "cd") == 0 && command_args[1] != NULL)
        {
            //让调用方进行路径切换，父进程
            ChangeDir(command_args[1]);
            continue;
        }
        
        //走到这里一定是将命令行参数解析完了，包括命令 + 选项
        
        //将环境变量的信息导入在了父进程的上下文当中
        if(strcmp(command_args[0], "export") == 0 && command_args[1] != NULL)
        {
            //环境变量列表(是个指针数组，每个元素是个指针指向一个环境变量)
            //我们传的是一个字符串首地址，但是环境变量的内容还是我们自己维护的
            //目前，环境变量信息在comman_line，会被清空，那么环境变量当然就没有了
            //所以此处我们需要自己保存一下环境变量的内容
            
            strcpy(env_buffer, command_args[1]);
            PutEnvInMyShell(env_buffer);
            //PutEnvInMyShell(command_args[1]);//MYENV=112233
            continue;
        }

        //5.创建进程，执行
        //如果自己直接程序替换的话，就把自己写的shell给替换了
        
        pid_t id = fork();
        if(id == 0)
        {
            //子进程
            //6.程序替换
           
            //execvpe(command_args[0], command_args, environ);
            execvp(command_args[0], command_args);

            exit(1);//执行到这里，子进程一定替换失败了
        }

        int status = 0;
        
        pid_t ret = waitpid(id, &status, 0);

        if(ret > 0)
        {
            printf("等待子进程成功: sig: %d, code: %d\n", status & 0x007F, (status & 0xFF00) >> 8);
        }

    }//end while

    return 0;
}

ls设置颜色的办法：

3.1 内建命令等问题的解决：

3.1 - 1 cd命令的处理：

在命令行中操作cd时，会跳转路径，但是用绝对命令时，就不行了，还是原来的路径：

• 一个进程也存在对应路径， 进程对应的路径可以理解成
• 当进程启动的时候时，在哪个路径启动时，这个进程所在路径就是当前进程所启动的路径

一般一个进程的路径是会被于进程继承的，路径的变化我们希望的是父进程路径的变化。

原因就是，我们平时用的cd时做过处理的cd：

• 我们知道指令都是一些可执行程序
• 执行可执行程序就是去执行其他程序，程序替换了
• 如果我们创建的子进程跳转路径
• 子进程退出之后，只是子进程的路径跳转了
• 并不影响父进程的路径，会发现命令行路径还是没变
• 显然这这种做法是不可取的

就不能用程序替换的方式来执行一些特殊的命令了：

• 我们可以在父进程将一些命令单独处理
• 让其不进行程序替换

重点：

• 程序替换影响的是子进程和父进程没关系，子进程一 跑就完了，曾经所有的操作就没有意义，路径切换就没意义了，所以我们要让父进程的路径发生变化。
• 如果有些行为，是必须让父进程shell执行的，不想让子进程执行，绝对不能创建子进程！只能是父进程自己实现对应的代码！

内建命令：

• 我们把由父进程自己提供的代码或者提供的逻辑（在命令行上体现的也是一个命令），但是这部分命令不是子进程执行的，而是父进程自己执行的，我们叫做内建命令。
• 由shell自己执行的命令，我们称之为内建（内置bind- in）命令。

更改工作目录的函数：

验证一下：

3.2 - 2 export的处理：

导入环境变量：

export不是一个可执行程序和cd，ls，cat等指令不同：

export是一个shell内置命令，用于设置环境变量。它并不是一个可执行程序，而是由shell解释器直接执行的命令。当我们在shell中使用export命令时，它会将指定的环境变量设置为当前shell进程的环境变量，以便后续的命令或程序可以使用该环境变量。

所以用execvp进行程序替换的时候，是不能替换成功的！

注意：

• 环境变量列表（是个指针数组，每个元素是个指针指向一个环境变量）
• 我们传的是一个字符串首地址，但是环境变量的内容还是我们自己维护的
• 目前，环境变量信息在comman_line，会被清空（环境变量要一直维护），那么环境变量当然就没有了
• 所以此处我们需要自己保存一下环境变量的内容

环境变量是数据，进程替换不是替换进程的代码和数据吗？

• 但是环境变量是属于系统的数据
• 子进程在执行程序替换时
• 当前进程的环境变量数据，不会被替换掉
• 而且是以父进程为模版继承下来的
• 所以才会让父进程以内建命令的方式putenv，子进程就能直接获取了

环境变量的数据，在进程的上下文中：

1. 环境变量会被子进程继承下去，所以他会有全局属性。
2. 当我们进行程序替换的时候，当前进程的环境变量非但不会被替换，而且是继承父进程的！！