Linux :进程替换

（一）进程程序替换

1.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(但有可能执行不同的代码分支),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并不创建新进程,所以调用exec前后该进程的id并未改变。
  

再次说明，进程替换并不会创造进程！
进行程序替换后，仅仅是磁盘将其要执行的程序中的数据和代码将物理内存中的代码和数据进行替换，而并没有改变进程的pcb，进程地址空间以及页表等数据结构都没有变，只是进程在物理内存当中的数据和代码发生了改变，所以并没有创建新的进程，而且进程程序替换前后该进程的pid并没有改变。

子进程进行替换后不会影响到父进程！
进程具有独立性，父子进程之间对代码和数据修改会进行写时拷贝。当子进程被创建，此时子进程是共享父进程的代码和数据的，而当子进程进行进程程序替换的时候，也就是意味着子进程被写入了，所以子进程和父进程所共享的代码和数据需要进行写时拷贝，确保了进程的独立性，所以父子进程的代码也就分离了，因此子进程进行程序替换后不会影响父进程的代码和数据。

2.替换函数

有六种以exec开头的函数,统称exec函数:

#include <unistd.h>int execl(const char *path, const char *arg, ...);
int execlp(const char *file, const char *arg, ...);
int execle(const char *path, const char *arg, ...,char *const envp[]);
int execv(const char *path, char *const argv[]);
int execvp(const char *file, char *const argv[]);

它们都源自于下面这个内核级系统调用：
int execve(const char *path, char *const argv[], char *const envp[]);

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函数只有出错的返回值而没有成功的返回值。

exec函数命名理解

int execve(const char *path, char *const argv[], char *const envp[]);
我们解释一下这个系统调用的参数：

• path：指的是可执行程序的路径。
• argc[ ] :指的是指针数组，存放命令行字符串（与main函数参数中的argc一样）。我们调用一个可执行程序的时候需要提供命令行参数，所以一样的进程替换的程序也需要提供。
• envp[ ] : 指的是环境变量。

那么其它六个函数如何理解？？

• 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

名字中带p即代表会自动搜索环境变量PATH，即我们可以不提供一个可执行程序的路径。名字中不带p则必须提供可执行程序的路径。

名字中带 l和 带 v的不会同时出现。带 l 的则要想命令行解释器上输入命令一个提供命令行参数。带 v 的 则 需要提供一个argc【】 的指针数组，存放命令行参数。

带 e 则需要提供新的环境变量 ，不带v 则会使用 进程原本的环境变量，我们提供一个新的环境变量后，会对旧的环境变量进行覆盖。

exec调用举例如下:

#include <unistd.h>int main()
{char *const argv[] = {"ps", "-ef", NULL};char *const envp[] = {"PATH=/bin:/usr/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);
}

只有execve是真正的系统调用,其它五个函数最终都调用 execve,所以execve在man手册 第2节,其它函数在man手册第3节。

（二）实现简易shell

用下图的时间轴来表示事件的发生次序。其中时间从左向右。shell由标识为sh的方块代表，它随着时间的流逝从左向右移动。shell从用户读入字符串"ls"。shell建立一个新的进程，然后在那个进程中运行ls程序并等待那个进程结束。

然后shell读取新的一行输入，建立一个新的进程，在这个进程中运行程序 并等待这个进程结束。
所以要写一个shell，需要循环以下过程:

1. 获取命令行
2. 解析命令行
3. 建立一个子进程（fork）
4. 替换子进程（execvp）
5. 父进程等待子进程退出（wait）

而我们实现shell，需要实现下面四个功能
简易shell分为四步：

1. 交互,获取命令行
2. 子串分割的问题，解析命令行，获取命令行参数
3. 内建命令（父进程执行）
4. 普通命令的执行（子进程执行）

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <assert.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/wait.h>#define LEFT "["   // 命令行的左括号
#define RIGHT "]"  // 命令行的右括号
#define LABLE "#"  //  命令行提示符
#define DELIM " \t"  // 空格符，用于分割
#define LINE_SIZE 1024  // 命令最长长度
#define ARGC_SIZE 32  // 命令行最大参数个数
#define EXIT_CODE 44  //退出码int lastcode = 0; //获取退出码extern char **environ;
char commandline[LINE_SIZE]; // 命令行
char *argv[ARGC_SIZE];  //命令行参数
char pwd[LINE_SIZE];  //存放路径// 自定义环境变量表
char myenv[LINE_SIZE];
// 自定义本地变量表const char *getusername()
{return getenv("USER");
}const char *gethostname()
{return getenv("HOSTNAME");
}void getpwd()
{getcwd(pwd, sizeof(pwd));
}void interact(char *cline, int size)  //1.实现交互
{getpwd();printf(LEFT"%s@%s %s"RIGHT""LABLE" ", getusername(), gethostname(), pwd);char *s = fgets(cline, size, stdin);assert(s);(void)s;// "abcd\n\0"//// 防止越界，同时可以将\n去掉cline[strlen(cline)-1] = '\0';
}int splitstring(char cline[], char *_argv[]) //2.解析命令行
{int i = 0;argv[i++] = strtok(cline, DELIM);while(_argv[i++] = strtok(NULL, DELIM)); // 故意写的=return i - 1;
}int buildCommand(char *_argv[], int _argc)  //3.内建命令（父进程执行）
{if(_argc == 2 && strcmp(_argv[0], "cd") == 0){chdir(argv[1]);getpwd();sprintf(getenv("PWD"), "%s", pwd);return 1;}else if(_argc == 2 && strcmp(_argv[0], "export") == 0){strcpy(myenv, _argv[1]);putenv(myenv);return 1;}else if(_argc == 2 && strcmp(_argv[0], "echo") == 0){if(strcmp(_argv[1], "$?") == 0){printf("%d\n", lastcode);lastcode=0;}else if(*_argv[1] == '$'){char *val = getenv(_argv[1]+1);if(val) printf("%s\n", val);}else{printf("%s\n", _argv[1]);}return 1;}// 特殊处理一下lsif(strcmp(_argv[0], "ls") == 0){_argv[_argc++] = "--color";_argv[_argc] = NULL;}return 0;
}void NormalExcute(char *_argv[]) //4.正常执行命令（子进程执行）
{pid_t id = fork();if(id < 0){perror("fork");return;}else if(id == 0){//让子进程执行命令//execvpe(_argv[0], _argv, environ);execvp(_argv[0], _argv);exit(EXIT_CODE);}else{int status = 0;pid_t rid = waitpid(id, &status, 0);if(rid == id) {lastcode = WEXITSTATUS(status);}}
}int main()
{int quit = 0;while(!quit){// 1. 交互问题,获取命令行interact(commandline, sizeof(commandline));// 2. 子串分割的问题，解析命令行int argc = splitstring(commandline, argv);if(argc == 0) continue;// 3. 内建命令（父进程执行） //内键命令，本质就是一个shell内部的一个函数int n = buildCommand(argv, argc);// 4. 普通命令的执行（子进程执行）if(!n) NormalExcute(argv);}return 0;
}