• 进程程序替换

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    💬<4>前言：我们创建子进程的目的是什么？想让子进程帮我们执行特定的任务。那么如何让子进程去执行一段新的代码呢？

    一.背景

     二.子进程程序替换

     三.替换函数

    1.execv

     2.execlp

     3.execle

    4.命名理解

    四.实现minishell

    一.背景

    我们创建子进程的目的是什么？想让子进程帮我们执行特定的任务。

    1.让子进程执行父进程的一部分代码

    2.如果子进程指向一个全新的代码呢？这就是进程的程序替换。

    见一见单进程版本进程替换，即父进程指向一个全新的代码:

    隆重介绍一个接口：

    int execl(const char *path, const char *arg, ...);
    1. path：替换程序的路径。
    2. arg：如何执行该程序。
    3. 可变参数：如何执行该程序的参数等。

     测试代码：

    1. #include 
    2. #include 
    3.  
    4. int main()
    5. {
    6.     printf("--------------------begin-------------\n");
    7.  
    8.     execl("/usr/bin/ls", "ls", "-a", "-l", NULL);
    9.  
    10.     printf("--------------------end---------------\n");
    11.  
    12.     return 0;
    13. }

    注意：

    1. 我们想替换的程序 "ls -a -l"。
    2. ls 的路径:/usr/bin/ls。
    3. "-a" "-l" 时ls命令的参数。
    4. 最后结束要以NULL结尾。

    测试结果：

    注意：

    1. 进程替换以后我们，并没有看到我们源代码里面的最后一个打印。
    2. 原因是程序在替换以后，在后续执行完ls的代码就会退出了，不会回到execl调用后面。

     二.子进程程序替换

    创建好子进程，让子进程调用execl，让子进程去执行替换的程序。

    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。

    测试代码：

    1. #include 
    2. #include 
    3. #include 
    4. #include 
    5.  
    6. int main()
    7. {
    8.     int status;
    9.     printf("--------------------begin-------------\n");
    10.     pid_t pid = fork();
    11.  
    12.     if (pid == 0)
    13.     {
    14.         // 我们想替换的程序 "ls -a -l"
    15.         // ls 的路径:/usr/bin/ls
    16.         //"-a" "-l" 时ls命令的参数
    17.         // 最后结束要以NULL结尾
    18.         execl("/usr/bin/ls", "ls", "-a", "-l", NULL);
    19.     }
    20.     waitpid(-1, &status, 0);//阻塞等待子进程退出。
    21.     if (WIFEXITED(status))
    22.         printf("子进程退出,退出码:%d\n", WEXITSTATUS(status));
    23.     else
    24.         printf("子进程异常,收到信号%d\n", status & 0x7F);
    25.     printf("--------------------end---------------\n");
    26.     return 0;
    27. }

    测试结果：

    进程替换原理：

    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。

     三.替换函数

    其实有六种以exec开头的函数,统称exec函数:

    1. #include 
    2.  
    3. int execl(const char *path, const char *arg, ...);
    4. int execlp(const char *file, const char *arg, ...);
    5. int execle(const char *path, const char *arg, ...,char *const envp[]);
    6. int execv(const char *path, char *const argv[]);
    7. int execvp(const char *file, char *const argv[]);
    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。

     介绍其中几个：

    1.execv

    int execv(const char *path, char *const argv[]);
    1. path:程序所在的路径，
    2. argv：是一个指针数组，数组每一个元素代表我们需要怎么执行程序。

    测试代码：

    1.  
    2. #include 
    3. #include 
    4. #include 
    5. #include 
    6.  
    7. int main()
    8. {
    9.     int status;
    10.     printf("--------------------begin-------------\n");
    11.     pid_t pid = fork();
    12.  
    13.     if (pid == 0)
    14.     {
    15.         // 我们想替换的程序 "ls -a -l"
    16.         // ls 的路径:/usr/bin/ls
    17.         //"-a" "-l" 时ls命令的参数
    18.         // 最后结束要以NULL结尾
    19.         char *argv[] = {"ls", "-a", "-l", NULL};
    20.         execv("/usr/bin/ls", argv);
    21.     }
    22.     waitpid(-1, &status, 0);
    23.     if (WIFEXITED(status))
    24.         printf("子进程退出,退出码:%d\n", WEXITSTATUS(status));
    25.     else
    26.         printf("子进程异常,收到信号%d\n", status & 0x7F);
    27.     printf("--------------------end---------------\n");
    28.     return 0;
    29. }

    测试结果：

     2.execlp

    int execlp(const char *file, const char *arg, ...);
    1. file:程序名称。
    2. 后续参数：需要怎么执行程序。
    3. 不需要给出程序路径，execlp会自己到环境变量中找对应的程序。

    测试代码：

    1. #include 
    2. #include 
    3. #include 
    4. #include 
    5.  
    6. int main()
    7. {
    8.     int status;
    9.     printf("--------------------begin-------------\n");
    10.     pid_t pid = fork();
    11.  
    12.     if (pid == 0)
    13.     {
    14.         // 我们想替换的程序 "ls -a -l"
    15.         // ls 的路径:/usr/bin/ls
    16.         //"-a" "-l" 时ls命令的参数
    17.         // 最后结束要以NULL结尾
    18.         execlp("ls", "ls", "-a", "-l", NULL);
    19.     }
    20.     waitpid(-1, &status, 0);
    21.     if (WIFEXITED(status))
    22.         printf("子进程退出,退出码:%d\n", WEXITSTATUS(status));
    23.     else
    24.         printf("子进程异常,收到信号%d\n", status & 0x7F);
    25.     printf("--------------------end---------------\n");
    26.     return 0;
    27. }

    测试结果：

     3.execle

    int execle(const char *path, const char *arg, ...,char *const envp[]);
    1. path:程序路径。
    2. envp:是一个指针数组，用来传输环境变量。
    3. arg:我们如何执行程序。

    测试代码：

    1. #include 
    2. #include 
    3. #include 
    4. #include 
    5.  
    6. int main()
    7. {
    8.     extern char **environ;
    9.     int status;
    10.     printf("--------------------begin-------------\n");
    11.     pid_t pid = fork();
    12.  
    13.     if (pid == 0)
    14.     {
    15.         // 我们想替换的程序 "ls -a -l"
    16.         // ls 的路径:/usr/bin/ls
    17.         //"-a" "-l" 时ls命令的参数
    18.         // 最后结束要以NULL结尾
    19.         execle("./newdir/otherproc", "otherproc", NULL, environ);
    20.     }
    21.     waitpid(-1, &status, 0);
    22.     if (WIFEXITED(status))
    23.         printf("子进程退出,退出码:%d\n", WEXITSTATUS(status));
    24.     else
    25.         printf("子进程异常,收到信号%d\n", status & 0x7F);
    26.     printf("--------------------end---------------\n");
    27.     return 0;
    28. }

    newdir/otherproc.cc

    1. #include 
    2. #include 
    3. #include 
    4.  
    5. using namespace std;
    6.  
    7. int main()
    8. {
    9.  
    10.     cout << "hello world"
    11.          << "hello:" << getenv("hello") << endl;
    12.     cout << "hello world"
    13.          << "hello:" << getenv("hello") << endl;
    14.     cout << "hello world"
    15.          << "hello:" << getenv("hello") << endl;
    16.  
    17.     return 0;
    18. }

    测试结果：

    4.命名理解

    这些函数原型看起来很容易混,但只要掌握了规律就很好记。

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

     exec调用总结：

    1. #include 
    2. int main()
    3. {
    4.     char *const argv[] = {"ps", "-ef", NULL};
    5.     char *const envp[] = {"PATH=/bin:/usr/bin", "TERM=console", NULL};
    6.     execl("/bin/ps", "ps", "-ef", NULL);
    7.     // 带p的，可以使用环境变量PATH，无需写全路径
    8.     execlp("ps", "ps", "-ef", NULL);
    9.     // 带e的，需要自己组装环境变量
    10.     execle("ps", "ps", "-ef", NULL, envp);
    11.     execv("/bin/ps", argv);
    12.     // 带p的，可以使用环境变量PATH，无需写全路径
    13.     execvp("ps", argv);
    14.     // 带e的，需要自己组装环境变量
    15.     execve("/bin/ps", argv, envp);
    16.     exit(0);
    17. }

    事实上,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。这些函数之间的关系如下图所示。

    四.实现minishell

    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

    代码：

    1. #include 
    2. #include 
    3. #include 
    4. #include 
    5. #include 
    6. #include 
    7. #include 
    8.  
    9. #define SEP " "
    10. #define MAX 1024
    11. #define MAX_SUB 64
    12.  
    13. // 分割命令"ls -a -l" --> "ls","-a" "-l"
    14. void split(char buff[], char *subbuff[])
    15. {
    16.     assert(buff);
    17.     assert(subbuff);
    18.  
    19.     int i = 0;
    20.     subbuff[i++] = strtok(buff, SEP);
    21.     while (subbuff[i++] = strtok(NULL, SEP)) // 如果没有找到分割，就会返回NULL
    22.         ;
    23. }
    24.  
    25. // 代码测定，打印命令
    26. void debug(char *subbuff[])
    27. {
    28.     int i = 0;
    29.     while (subbuff[i])
    30.     {
    31.         printf("%s\n", subbuff[i++]);
    32.     }
    33. }
    34.  
    35. // 显示环境变量
    36. void showenv()
    37. {
    38.     extern char **environ;
    39.     for (int i = 0; environ[i]; i++)
    40.     {
    41.         printf("[%d]:%s\n", i, environ[i]);
    42.     }
    43. }
    44.  
    45. int main()
    46. {
    47.     int status = 0;            // 退出码参数
    48.     char myenv[32][512] = {0}; // 用户自定义环境变量
    49.     int index_env = 0;
    50.     int last_exit = 0;
    51.     while (1)
    52.     {
    53.         char buff[MAX] = {0}; // 存储命令行输入的命令字符串
    54.         char *subbuff[MAX_SUB] = {NULL};
    55.         printf("wq@[aliyum]$:");
    56.         fflush(stdout);
    57.         // 1.获得命令字符串
    58.         fgets(buff, sizeof(buff), stdin);
    59.  
    60.         // 2.解析命令
    61.         // ls -a -l\n\0,strlen=9,index(\n)=8,去除回车。
    62.         buff[strlen(buff) - 1] = '\0';
    63.  
    64.         // 分割字符串
    65.         split(buff, subbuff);
    66.  
    67.         // 处理内建命令
    68.         //  注意：cd,export,env,echo,等命令都是内建命令，即这些命令不能创建子进程执行，只能bash自己执行
    69.         if (strcmp(subbuff[0], "cd") == 0)
    70.         {
    71.             if (subbuff[1] != NULL)
    72.                 chdir(subbuff[1]);
    73.  
    74.             continue;
    75.         }
    76.         else if (strcmp(subbuff[0], "export") == 0)
    77.         {
    78.             if (subbuff[1] != NULL)
    79.             {
    80.                 // 这里不能将subbuff[1]直接导入环境变量，因为环境变量表存储的都是指针，必须使用一个单独空间
    81.                 strcpy(myenv[index_env], subbuff[1]);
    82.                 putenv(myenv[index_env++]);
    83.             }
    84.             continue;
    85.         }
    86.         else if (strcmp(subbuff[0], "env") == 0)
    87.         {
    88.             showenv();
    89.             continue;
    90.         }
    91.         else if (strcmp(subbuff[0], "echo") == 0)
    92.         {
    93.             // echo $PATH
    94.             if (subbuff[1][0] == '$')
    95.             {
    96.                 if (subbuff[1][1] == '?') // echo $?//最近一次推出吗
    97.                 {
    98.                     printf("%d\n", last_exit);
    99.                 }
    100.                 else // 提取环境变量
    101.                 {
    102.                     // PATH
    103.                     char *subenv = subbuff[1] + 1;
    104.                     char *get_env = getenv(subenv);
    105.                     if (get_env != NULL)
    106.                     {
    107.                         printf("%s=%s\n", subenv, get_env);
    108.                     }
    109.                 }
    110.             }
    111.             continue;
    112.         }
    113.         if (strcmp(subbuff[0], "ls") == 0)
    114.         {
    115.             int comm_index = 0;
    116.             while (subbuff[comm_index])
    117.             {
    118.                 comm_index++;
    119.             }
    120.             // 增加高亮
    121.             subbuff[comm_index] = "--color=auto";
    122.         }
    123.  
    124.         // 3.创建子进程
    125.         pid_t pid = fork();
    126.         assert(pid >= 0);
    127.  
    128.         if (pid == 0) // 子进程
    129.         {
    130.             extern char **environ;
    131.             // 4. 程序替换
    132.             execve(subbuff[0], subbuff, environ);
    133.         }
    134.  
    135.         // // 测试
    136.         // debug(subbuff);
    137.  
    138.         waitpid(pid, &status, 0);
    139.         if (WIFEXITED(status))
    140.         {
    141.             // 子进程退出设置退出码
    142.             last_exit = WEXITSTATUS(status);
    143.         }
    144.     }
    145.  
    146.     return 0;
    147. }

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