Linux 进程替换深剖

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概念

你是否遇到过这样一个场景，**在一个多人项目中，有人用 Java 实现部分功能，有人用 C++ 实现部分功能，有人用 PHP，go，Python……**那该如何将这些不同的逻辑语言统一进来呢？

当我们 fork() 生成子进程后，子进程的代码与数据可以来自其他可执行程序。把磁盘上其他程序的数据以覆盖的形式给子进程。这样子进程就可以执行全新的程序了，这种现象称为$程序替换$

细则

首先需要知道进程替换是有原则的：

1. 进程替换不会创建新进程，因为他只是将该进程数据替换为指定的可执行程序。而进程 PCB 没有改变，所以不是新的进程，进程替换后不会改变 pid

2. 替换成功后，替换函数后的代码不会执行，因为进程替换是覆盖式的，替换成功后进程原来的代码就消失了，同理替换失败会执行替换函数后的代码

3. 进程替换函数在进程替换成功后不返回，函数的返回值只会表示替换失败；进程替换成功后，退出码为替换后进程的退出码

原理

替换是用的是替换函数：$exec函数$

该函数类型使用头文件：
函数原型：int execl(const char *path，const char *arg，…)

path：可执行程序的路径
arg：如何执行可执行程序
… ：可变参数，是给执行程序携带的参数，在参数末尾加 NULL 表示参数结束

返回值：替换失败返回-1，替换成功不返回

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，并从新程序的启动例程开始执行，本质上和虚拟内存和写时拷贝机制有点类似，通过在页表上进行映射操作进行替换：

那么子进程程序替换后，会对父进程产生印象吗？

毫无疑问，子进程被创建时是与父进程共享代码和数据，但当程序替换时，也就意味着需要进行写入操作，这时便需要将父子进程共享的代码和数据进行写时拷贝，此后父子进程的代码和数据也就分离了，因此进行程序替换后不会影响父进程的代码和数据！

exec 函数

进程替换有六种替换函数，他们是以 exec 开头的函数，统称为 exec 函数：

execl

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

第一个参数是要执行程序的路径，第二个参数是可变参数列表，代表我们需要以 list 的形式处理各种操作，内容是各个指令选项，并以NULL结尾

以 ls 命令为例：

execl("/usr/bin/ls", "ls", "-a", "-i", "-l", NULL);

execlp

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

第一个参数是要执行程序的名字，第二个参数是可变参数列表，代表我们需要以 list 的形式处理各种操作，内容是各个指令选项，并以NULL结尾

同样以 ls 命令为例：

execlp("ls", "ls", "-a", "-i", "-l", NULL);

execle

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

第一个参数是要执行程序的路径，第二个参数是可变参数列表，代表我们需要以 list 的形式处理各种操作，内容是各个指令选项，并以NULL结尾，第三个参数是你自己设置的环境变量，比如我们设置了自己的 MYVAL 环境变量，在 mypro 程序内就可以使用该环境变量：

char* myenvp[] = { "MYVAL=2021", NULL };
execle("./mypro", "mypro", NULL, myenvp);

execv

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

第一个参数是要执行程序的路径，第二个参数是一个指针数组，代表我们需要以 vector 的形式处理各种操作，数组当中的内容是各个指令选项，数组以 NULL 结尾

还是以 ls 命令为例：

char* myargv[] = { "ls", "-a", "-i", "-l", NULL };
execv("/usr/bin/ls", myargv);

execvp

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

第一个参数是要执行程序的名字，第二个参数是一个指针数组，代表我们需要以 vector 的形式处理各种操作，数组当中的内容是各个指令选项，数组以 NULL 结尾

例如，要执行的是ls程序：

char* myargv[] = { "ls", "-a", "-i", "-l", NULL };
execvp("ls", myargv);

execve

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

第一个参数是要执行程序的路径，第二个参数是一个指针数组，代表我们需要以 vector 的形式处理各种操作，数组以NULL结尾，第三个参数是你自己设置的环境变量，比如我们设置了自己的 MYVAL 环境变量，在 mypro 程序内就可以使用该环境变量：

char* myargv[] = { "mypro", NULL };
char* myenvp[] = { "MYVAL=2021", NULL };
execve("./mypro", myargv, myenvp);

为了方便记忆，这里根据各个函数的后缀进行了归纳：

l：表示参数采用 list 列表的形式
v：表示参数采用 vector 数组的形式
p：表示能自动搜索环境变量 PATH 进行程序查找，即不需要列举程序路径
e：表示可以传入自己设置的环境（env）变量

但是事实上，$只有execve才是真正的系统调用$，其它 5 个函数都是调用的execve，也就是说其他 5 个函数实际上是对 execve 的系统调用进行了封装，以满足不同用户的不同调用场景，下图就是各成员间的关系：

实现简易 shell

shell 也就是之前说的命令行解释器，运行原理就是：当有命令需要执行时，shell 创建子进程，让子进程执行命令，而 shell 只需等待子进程退出即可

我们将 shell 的运行逻辑分为下面的五步：

1. 获取命令行
2. 解析命令行
3. 创建子进程
4. 替换子进程
5. 等待子进程退出

我们之前学习了 fork 函数可以进行进程创建，exec系列函数可以进行子进程替换，wait 或者 waitpid 函数可以等待子进程，那么基础框架就勾勒出来了：

#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#define LEN 1024 //命令最大长度
#define NUM 32 //命令拆分后最大个数
#define SEP " "

char commend_line[NUM];
char* commend_args[SIZE];
char env_buffer[128];
char pwd_buffer[128];
 //实现改变当前工作目录的chdir
int ChangeDir(const char* new_path)
{
  chdir(new_path);
  return 0; //调用成功
}
 //增添自义定环境变量
void PutEnvInMyShell(char* new_env)
{
  putenv(new_env);
}
 
int main()
{
  //shell 本质上就是一个死循环
  while(1)
  {
    //显示提示符
    getcwd(pwd_buffer,128);
    printf("yuanlai45@Centos %s# ",pwd_buffer);
    fflush(stdout);
    
    //获取用户输入
    memset(commend_line,'\0',sizeof(commend_line)*sizeof(char)); //初始化为 \0
    fgets(commend_line,NUM,stdin);//获取到的是c风格的字符串 '\0'结尾
    commend_line[strlen(commend_line)-1]='\0';//清除\n 
    
    //字符串分割，比如:"ls -a -l" ->  "ls" "-a" "-l"
    commend_args[0]=strtok(commend_line,SEP);
    int index=1;
    
    //给指令添加颜色
    if(strcmp(commend_args[0],"ls")==0)
    {
      commend_args[index++]=(char*)"--color=auto";
    }
    while(commend_args[index++]=strtok(NULL,SEP));
    
    //内建命令，因为是想改变父进程所处的工作目录，所以并不需要去创建子进程
    if(strcmp(commend_args[0],"cd")==0 && commend_args[1]!=NULL)
    {
      ChangeDir(commend_args[1]);
      continue;
    }
    
    //同理，我们想给父进程添加环境变量，以继承的方式去给子进程
    if(strcmp(commend_args[0],"export")==0 && commend_args[1]!=NULL)
    {
      //目前我们环境变量的信息在commmand_line里面，每次会被清空
      //此处需要自己保存一下环境变量的内容
      //binPutEnvInMyShell(commend_args[1]);
      strcpy(env_buffer,commend_args[1]);
      PutEnvInMyShell(env_buffer);
      continue;
    }
    //创建进程，执行
    pid_t id = fork();
    if(id==0)//子进程
    {
      //程序替换
      execvp(commend_args[0],commend_args);
      exit(-1);//执行到这里说明子进程替换失败
    }
    int status = 0;
    pid_t ret = waitpid(id,&status,0);//阻塞等待
    if(ret>0)
    {
    //打印进程终止信号和退出码
      printf("等待子进程成功，sig:%d,code:%d\n",status&0x7F,status&0xFF);
    }
  }         
  return 0;
}

我们自己实现的 shell 在子进程退出后都会打印子进程的退出码，我们可以根据这一点来区分当前使用的是 Linux 的 shell 还是我们自己实现的 shell

程序替换

以前我们的程序由很多函数组成，一个函数可以调用另一个函数，同时可以传递一些参数；被调用的函数执行一定的操作，然后返回一个值。

不同函数通过call/return系统进行通信。这种通过参数和返回值，在拥有私有数据的函数间通信的模式是结构化程序设计的基础，Linux 鼓励将这种应用于程序之内的模式扩展到程序之间

其次我在开始说过，一个程序如果要做到完美，那么就需要杂糅各种语言来完成不同的功能，因为每种语言的优劣各有不同，所以程序的替换就可以很自然的处理各个语言之间的衔接

在 fork 子进程后，再用 exec 的替换函数进行进程替换即可，从而达到程序之间的相互调用：

pid_t id = fork();
if (id == 0){
	execvp(myargv[0], myargv);
	exit(1);
}

这里 exit() 返回进程的调用结果，在原来进程里面是用 wait 或者 waitpid 进行接收即可：

wait(&status);
waitpid(id, &status, 0);

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