Linux进程替换自主shell程序

本篇将要讲解有关进程中最后一个知识点——进程替换，其中主要介绍有关进程替换的六个函数，直接从函数层面来理解进程替换（在使用函数的过程中，也会对进行替换进行解释）。本篇主要围绕如下的进程替换函数：

以上的 exec* 函数就是 Linux 中的加载函数，可以将进程加载到内存中。

1. 进程替换函数

execl 函数

我们将首先介绍 execl 函数，关于该函数的参数列表如下：
int execl(const char *path, const char *arg, ...);
如上，该函数是一个可变参数列表，第一个参数为路径（需要替换的进程的目录，应该去哪找到该进程），接下来的参数的类型都是 const char* ，需要传入的参数为进程的名字，进程需要带上的参数（也就是需要告诉函数，要求替换进程怎么执行），最后在结束的位置加上 NULL 即可。具体的使用如下：

如上所示，当我们运行 execl 函数的时候，接下来会运行我们替换后的进程。但是需要注意的一点，我们在进程替换代码的后面也加入了一行打印代码，但是在运行之后并没有将其打印出来。这是为什么呢？

这是因为我们进行了程序替换。在每个进程加载的时候，都会加载对应的页表，地址空间，在内存中开辟空间，以及建立各种的映射关系。当我们调用 execl 函数的时候，会在磁盘中找到对应的进程，然后使用该进程的代码和数据覆盖原有的代码和数据，但是并不会覆盖掉原进程的内核管理数据结构（其中个别的数据将会发生变化），所以进程替换的时候，并不会创建新进程（老进程壳子、新进程运行）。所以以上的代码执行完 execl 函数之后，不会在运行之后的代码了，因为以已经被覆盖了。

多进程运行程序

通过以上函数可知，我们可以使用系统调用函数将进程进行替换，那么结合我们之前的 fork 创建子进程，我们就可以使用 fork 创建子进程，然后使用程序替换，让子进程运行我们想要运行的程序，这样就达到了多进程运行程序的效果，如下：

如上所示，我们可以在子进程中进行程序替换，运行我们想要运行的程序。这样发生的原理又是什么呢？

当我们进行程序替换的时候，会对子进程的代码和数据进行写时拷贝（因为和父进程共享的，不能直接覆盖原来的代码数据），从磁盘中写入我们想要运行进程的代码和数据。父进程在外可以进行阻塞等待和非阻塞等待，也就是可以做自己的事情，若还想要同时运行多个进程，可以创建多个子进程，然后进行替换。

execv 函数

现在我们将开始讲解 execv 函数，关于该函数的参数形式如下：
int execv(const char *path, char *const argv[]);
其中，我们需要传入的参数分别为：需要替换进程的地址（目录），第二个参数是一个指针数组，里面存的是我们要运行进程的方式，和以上的 execl 的形式一样，但是需要注意的是，指针数组的最后一个元素得是：NULL，使用如下：

如上，我们使用 execv 函数成功替换了子进程。其实这些函数的使用都大同小异，我们只需要掌握其中一两个主要的用法，其余也就无师自通了。

execvp execlp 函数

接下来我们将讲解 execvp 和 execlp 这两个函数，其函数参数形式如下：
int execlp(const char *file, const char *arg, ...);
int execvp(const char *file, char *const argv[]);
以上两个函数分别相对于 execv 函数和 execl 函数多了一个 p ，其实是多了一个环境变量，也就是我们不需要在第一个参数中传入路径了，直接传入我们想要执行的语句，后面的参数形式，根据以上 execv 和 execl 函数形式传参即可，如下：

如上所示，传参形式也是和 execv execl 函数相差无几。

execvpe 函数

现在我们来讲解我们将要讲解的最后一个函数：execvp 函数，如下：
int execvpe(const char *file, char *const argv[], char *const envp[]);
int execle(const char *path, const char *arg, ..., char * const envp[]);
如上所示，其实和 execvp execl 函数相比，只多了一个 envp 参数，也就是我们的环境变量，在以下只演示一种函数的使用即可，另一种的使用方法大同小异，就不在演示，如下：

如上所示，我们在我们的c语言程序中替换了一个C++程序，然后传入环境变量与参数，我们在C++程序中也在命令行中使用 argv 和 env 变量接收了命令行参数和环境变量。所以在 execvpe 函数中的 envp 变量可以将环境变量给替换掉，将程序中的环境变量替换为我们想要输入的环境变量（若我们想要传入bash中的环境变量，我们只需要传入environ进去即可）。

execve 系统调用

我们先查看我们使用的进程替换所在的手册，如下：

如上显示的为 3 好手册，是我们的 C语言中的库，说明这些进程替换函数都是来自于C语言，其中的底层调用的是系统调用：execve：

其中，关于这些函数的关系如下：

2. 自主shell -- code

在我们在 Linux 中使用的命令行解释器（bash）就是一个 shell 程序，其中主要负责解释我们输入的命令，将其反馈给我们用户。比如我们常用的 ls pwd touch 指令，但其实这些指令都是进程，那么关于 bash 运行这些指令，其实在底层中就是使用进程替换函数实现的，现在我们将在下文中使用C语言实现一个简陋版的 shell 程序（主要依靠进程替换）。我们先给出我们所有的代码，然后在下文中解释：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <errno.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/wait.h>
#include <sys/stat.h>
#include <sys/types.h>
#include <fcntl.h>#define SIZE 512 
#define NUM 32char cwd[SIZE * 2];
char* MyArgv[NUM];
char tmp[SIZE * 2];
int lastcode = 0;const char* GetUserName(){const char* name = getenv("USER");if(name == NULL) return "None";return name;
}const char* GetHostName(){const char* hostname = getenv("HOSTNAME");if(hostname == NULL) return "None";return hostname;
}const char* GetCwd(){const char* cwd = getenv("PWD");if(cwd == NULL) return "None";return cwd;
}void MakeCommandLine(){const char* name = GetUserName();const char* hostname = GetHostName();const char* cwd = GetCwd();if(strlen(cwd) != 1){cwd += strlen(cwd) - 1;while(*cwd != '/')cwd--;cwd++;}printf("[%s@%s %s]> ", name, hostname, cwd);
}char* GetCommandFromStdin(){char* command = fgets(tmp, sizeof(tmp), stdin);if(command == NULL) exit(1);command[strlen(command) - 1] = '\0';return command;
}void SplitComandToArgv(char* command){// 开始截取MyArgv[0] = strtok(command, " ");//MyArgv[0] = command;//char* tmp = strtok(command, " ");//tmp = '\0';int index = 1;while((MyArgv[index++] = strtok(NULL, " "))){}MyArgv[index] = NULL;
}void ExecuteCommand(char* cmd){pid_t id = fork();if(id < 0) exit(1);else if(id == 0){execvp(MyArgv[0], MyArgv);exit(errno);}else{int status = 0;pid_t rid = waitpid(id, &status, 0);if(rid > 0){lastcode = WEXITSTATUS(status);if(lastcode != 0)printf("%s:%s:%d\n", MyArgv[0], strerror(lastcode), lastcode);}}
}void ChangeDir(){char* path = MyArgv[1];if(strcmp(MyArgv[1], "-") == 0) path = getenv("HOME");chdir(path);// 更新环境变量getcwd(tmp, sizeof(tmp));snprintf(cwd, sizeof(cwd), "PWD=%s", tmp);putenv(cwd);
}int BuildInCommand(){int yes = 0;if(strcmp(MyArgv[0], "cd") == 0){yes = 1;ChangeDir();}return yes;
}int main(){// 先创建一个命令行输入int quit = 1;while(quit != 0){MakeCommandLine();    // 创建一个读入字符串char* command = GetCommandFromStdin();//printf("%s", command);// 将command指令截取到argv表格中// 检测是否存在重定向//CheckRedir(command);// printf("cmd: %s\n", command);// printf("file: %s\n", command + RedirPos);SplitComandToArgv(command);// int i = 0;// for(; MyArgv[i]; i++){//    printf("%s\n", MyArgv[i]);// }// 截取命令之后，就可以开始执行程序了int buildin = BuildInCommand();if(buildin) continue;ExecuteCommand(command);}return 0;
}

命令行读取命令

首先我们需要先模拟出在命令行读取命令，其中还包括要显示出我们当前所在的目录，这就会涉及到我们的在之前文章中所提到的环境变量了（Linux环境变量-CSDN博客），我们需要从环境变量中找出当前所在的目录，以及当前的用户，实现如下：
const char* GetUserName(){const char* name = getenv("USER");if(name == NULL) return "None";return name;
}const char* GetHostName(){const char* hostname = getenv("HOSTNAME");if(hostname == NULL) return "None";return hostname;
}const char* GetCwd(){const char* cwd = getenv("PWD");if(cwd == NULL) return "None";return cwd;
}void MakeCommandLine(){const char* name = GetUserName();const char* hostname = GetHostName();const char* cwd = GetCwd();if(strlen(cwd) != 1){cwd += strlen(cwd) - 1;while(*cwd != '/')cwd--;cwd++;}printf("[%s@%s %s]> ", name, hostname, cwd);
}
其中主要使用了能寻找到环境变量的返回值的系统调用函数 getenv。以上为函数为在命令行打印读取命令行信息的提示，接下来我们还需要读取我们的指令，其中的指令是以字符串的形式传入的，如下：
char* GetCommandFromStdin(){char* command = fgets(tmp, sizeof(tmp), stdin);if(command == NULL) exit(1);command[strlen(command) - 1] = '\0';return command;
}
其中主要使用的函数为一个文件读取函数，一次性就可以读取一行。

截取命令行 / 进程替换

我们进行环境变量之前，需要使用空格传入不同的穿，而我们刚刚的读取指令函数读取的是一整行的字符串，所以我们需要将其截取，以空格为间隙将其截取。如下：
void SplitComandToArgv(char* command){// 开始截取MyArgv[0] = strtok(command, " ");int index = 1;while((MyArgv[index++] = strtok(NULL, " "))){}MyArgv[index] = NULL;
}
截取完命令之后，我们就可以进行进程替换了，进行进程替换，我们只需要使用使用 fork 创建出子进程，然后让父进程进行阻塞等待即可，如下：
void ExecuteCommand(char* cmd){pid_t id = fork();if(id < 0) exit(1);else if(id == 0){execvp(MyArgv[0], MyArgv);exit(errno);}else{int status = 0;pid_t rid = waitpid(id, &status, 0);if(rid > 0){lastcode = WEXITSTATUS(status);if(lastcode != 0)printf("%s:%s:%d\n", MyArgv[0], strerror(lastcode), lastcode);}}
}
以上的进程替换虽然能替换大部分的指令，但是还是有部分内建命令不能替换，因为内建命令本质是 shell 程序中的一个函数，所以并不能算得上是进程替换，我们只能在函数中检测，然后运行，如下给出了 cd 内建命令的实现，关于其他的内建命令便可由读者自行完成，如下：
void ChangeDir(){char* path = MyArgv[1];if(strcmp(MyArgv[1], "-") == 0) path = getenv("HOME");chdir(path);// 更新环境变量getcwd(tmp, sizeof(tmp));snprintf(cwd, sizeof(cwd), "PWD=%s", tmp);putenv(cwd);
}int BuildInCommand(){int yes = 0;if(strcmp(MyArgv[0], "cd") == 0){yes = 1;ChangeDir();}return yes;
}