【Linux】进程控制，手搓简洁版shell

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动图描述

1、进程创建

fork函数：从已经存在的进程中创建一个新进程。新进程为子进程，原进程为父进程。

进程调用fork，当控制转移到内核中的fork代码后，内核做：

分配新的内存块和内核数据结构给子进程
将父进程部分数据结构内容拷贝给子进程
添加子进程到系统进程列表当中
fork返回，开始调度器调度

写时拷贝 （懒拷贝，时间换空间）

在这里插入图片描述

数据在默认不修改的情况下是共享的，不各自拷贝一份是因为父子进程间的数据大部分是重复的，一般只有少量数据需要修改，因为各自拷贝一份浪费空间。

更新父进程页表项为只读—子进程继承—子进程写入—触发系统错误—系统触发缺页中断—系统检测—判定是否要写时拷贝—拷贝，修改，恢复权限。

创建出子进程，让子进程执行一些任务：

#include <iostream>
#include <vector>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/wait.h>
#include <stdio.h>using namespace std;enum 
{OK,OPEN_FILE_ERROR
};vector<int> data;int savebegin()
{string name = to_string((unsigned int)time(nullptr));name += ".backup";FILE *pf = fopen(name.c_str(), "w");if (pf == nullptr){return OPEN_FILE_ERROR;}string datastr;for (auto d : data){datastr += to_string(d);datastr += " ";}fputs(datastr.c_str(), pf);//将拿到的数据备份到文件中fclose(pf);return OK;
}void save()
{pid_t id = fork();if (id == 0){//子进程备份数据int code = savebegin();exit(code);}int status = 0;pid_t rid = waitpid(id, &status, 0);if (rid > 0){int code = WEXITSTATUS(status);//进程退出码if (code == 0)cout << "备份成功, exit code:" << code << endl;elsecout << "备份失败，exit code:" << code << endl;}else{perror("waitpid");}
}int main()
{int cnt = 1;while (true){data.push_back(cnt++);sleep(1);if (cnt % 10 == 0){save();}}return 0;
}

上面的代码中子进程每隔10秒备份一份数据。

2、进程终止

main函数的返回值->返回给父进程或系统。

在这里插入图片描述
进程终止的方式：

main函数中的return：只有main函数中的return才能终止进程
exit（库函数）：在代码的任何地方，结束进程

在这里插入图片描述

_exit（系统调用接口）：

在这里插入图片描述
这是因为我们所说的缓冲区是语言级别的缓冲区（C/C++），所以_exit（系统调用接口）接触不到。

3、进程等待

等待的时候，如果子进程不退出，父进程就会阻塞在wait函数内部。

在这里插入图片描述

我们只能通过系统调用获取退出信息。
在这里插入图片描述

wait和waitpid，都有一个status参数，该参数是一个输出型参数，由操作系统填充。
如果传递NULL，表示不关心子进程的退出状态信息。
否则，操作系统会根据该参数，将子进程的退出信息反馈给父进程。
status不能简单的当作整形来看待，可以当作位图来看待，具体细节如下图（只研究status低16比特位）：

在这里插入图片描述

进程退出：

代码跑完，结果对，return 0
代码跑完，结果不对，return !0
进程异常，OS提前用信号终止进程，进程退出信息中也会记录退出信号

如果我们想看一个进程结果是否正确，前提这个进程退出信号为0，说明这个进程是正常跑完的，但结果是对还是不对需要看退出码来判断。
在这里插入图片描述
除了上面的位操作获取退出码，还可以使用系统提供的相关宏：

WIFEXITED(status): 若为正常终止子进程返回的状态，则为真（查看进程是否是正常退出）
WEXITSTATUS(status): 若WIFEXITED非零，提取子进程退出码（查看进程的退出码）

阻塞和非阻塞
非阻塞等待即让父进程在等待子进程的过程中去做一些自己的事。

typedef function<void()> task_t;void LoadTask(vector<task_t>& tasks)
{tasks.push_back(PrintLog);tasks.push_back(DownLoad);tasks.push_back(BackUp);
}int main()
{vector<task_t> tasks;LoadTask(tasks);//加载任务pid_t id = fork();if (id == 0){while (true){cout << "我是子进程，pid:" << getpid() << endl;sleep(1);}exit(0);}while (true)//阻塞循环等待{sleep(1);pid_t rid = waitpid(id, nullptr, WNOHANG);if (rid > 0){cout << "等待子进程" << rid << "成功" << endl;break;}else if (rid < 0){cout << "等待子进程失败" << endl;break;}else{cout << "子进程尚未退出" << endl;//父进程做一些自己的事for (auto& task : tasks){task();}}}
}

4、进程程序替换

上面的子进程执行的都是父进程的部分代码，如果我们想让子进程执行一个全新的程序呢？
在这里插入图片描述

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函数来执行另一个程序，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，开始执行新程序。
在这里插入图片描述

在这里插入图片描述

如果给上面的代码加上死循环，再让运行时读取指令，不就是一个简单的命令解释器吗？

程序替换不影响命令行参数和环境变量。

5、手写简洁版shell

现在写的shell没有维护自己的环境变量表，是继承自父shell，我们当然也可以维护自己shell的环境变量表。

#include <iostream>
#include <cstring>
#include <string>
#include <stdlib.h>
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/wait.h>
using namespace std;const int basesize = 1024;
const int argvnum = 64;
const int envnum = 64;//全局的命令行参数表
char *gargv[argvnum];//命令行参数表
int gargc = 0;//计数//上一个进程的退出码
int lastcode = 0;//全局的shell工作路径
char pwd[basesize];
char pwdenv[basesize];//myshell的环境变量表
char *genv[envnum];string GetUserName()
{string name = getenv("USER");return name.empty() ? "None" : name;
}
string GetHostName()
{string hostname = getenv("HOSTNAME");return hostname.empty() ? "None" : hostname;
}
string GetPwd()
{//从系统中获取if (getcwd(pwd, sizeof(pwd)) == NULL){return "None";}snprintf(pwdenv, sizeof(pwdenv), "PWD=%s", pwd);putenv(pwdenv);//PWD=xxx  更新环境变量return pwd;
//	string pwd = getenv("PWD");
//	return pwd.empty() ? "None" : pwd;
}string LastDir()
{//  /home/yjz/code/xxxstring cur = GetPwd();if (cur == "/" || cur == "None")return cur;size_t pos1 = cur.rfind("/");if (pos1 == string::npos)return cur;size_t pos2 = pos1 == 0 ? pos1 : pos1 - 1;size_t pos3 = cur.rfind("/", pos2);if (pos3 == string::npos)return cur;return cur.substr(pos3);
}string MakeCmdLine()
{char cmd_line[basesize];snprintf(cmd_line, basesize, "%s@%s:~%s$ ", GetUserName().c_str(), GetHostName().c_str(), LastDir().c_str());return cmd_line;
}void PrintCmdLine()
{printf("%s", MakeCmdLine().c_str());fflush(stdout);
}bool GetCmdLine(char buffer[], int size)
{char *result = fgets(buffer, size, stdin);//从标准输入流中读取输入指令if (result){buffer[strlen(buffer) - 1] = '\0';//去掉输入指令时的回车键if (strlen(buffer) == 0){return false;//如果是空串直接返回}return true;}return false;
}void ParseCmdLine(char buffer[], int len)
{//初始化memset(gargv, 0, sizeof(gargv));gargc = 0;const char *delim = " ";gargv[gargc++] = strtok(buffer, delim);while (gargv[gargc++] = strtok(NULL, delim));gargc--;
}//void debug()
//{
//	printf("argc: %d\n", gargc);
//	for (int i = 0; gargv[i]; i++)
//	{
//		printf("agrv[%d}: %s\n", i, gargv[i]);
//	}
//}//执行解析好的命令，为了防止程序崩溃挂掉，让子进程执行
bool ExeCmd()
{pid_t id = fork();if (id < 0){return false;}if (id == 0){//将myshell的环境变量表传给子进程execvpe(gargv[0], gargv, genv); exit(1);}int status = 0;pid_t rid = waitpid(id, &status, 0);if (rid > 0){if (WIFEXITED(status)){lastcode = WEXITSTATUS(status);}else{lastcode = 100;}return true;}return false;
}void AddEnv(char *item)
{int index = 0;while (genv[index]){index++;}genv[index] = (char*)malloc(strlen(item) + 1);strncpy(genv[index], item, strlen(item) + 1);genv[++index] = NULL;
}//在shell中，有些命令，必须由子进程执行
//有些命令，只能shell自己执行——内建命令
//shell自己执行命令，本质是shell调用自己的函数
bool CheckAndExeBuiltCmd()
{if (strcmp(gargv[0], "cd") == 0){//内建命令if (gargc == 2){chdir(gargv[1]);}else{lastcode = 1;}return true;}else if (strcmp(gargv[0], "export") == 0){if (gargc == 2){AddEnv(gargv[1]);}else{lastcode = 2;}return true;}else if (strcmp(gargv[0], "env") == 0){for (int i = 0; genv[i]; i++){printf("%s\n", genv[i]);}lastcode = 0;return true;}else if (strcmp(gargv[0], "echo") == 0){if (gargc == 2){if (gargv[1][0] == '$'){if (gargv[1][1] == '?'){printf("%d\n", lastcode);lastcode = 0;}}else{printf("%s\n", gargv[1]);lastcode = 0;}}else{lastcode = 3;}return true;}return false;
}//作为一个shell，获取环境变量应该从系I统的配置文件中读取
//这里直接从父shell中拷贝
void InitEnv()
{extern char **environ;int index = 0;while (environ[index]){genv[index] = (char*)malloc(strlen(environ[index]) + 1);strncpy(genv[index], environ[index], strlen(environ[index] + 1));index++;}genv[index] = NULL;
}int main()
{InitEnv();char cmd_buffer[basesize];//获取指令缓冲区while (true){	PrintCmdLine();//1、命令行提示符if(!GetCmdLine(cmd_buffer, basesize))//2、获取用户命令{continue;}//printf("%s\n", cmd_buffer);ParseCmdLine(cmd_buffer, strlen(cmd_buffer));//3、分析命令//debug(); if (CheckAndExeBuiltCmd()){continue;}ExeCmd();//4、执行命令}return 0;
}