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：

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>int main()
{printf("--------------------begin-------------\n");execl("/usr/bin/ls", "ls", "-a", "-l", NULL);printf("--------------------end---------------\n");return 0;
}

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：

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/wait.h>int main()
{int status;printf("--------------------begin-------------\n");pid_t pid = fork();if (pid == 0){// 我们想替换的程序 "ls -a -l"// ls 的路径:/usr/bin/ls//"-a" "-l" 时ls命令的参数// 最后结束要以NULL结尾execl("/usr/bin/ls", "ls", "-a", "-l", NULL);}waitpid(-1, &status, 0);//阻塞等待子进程退出。if (WIFEXITED(status))printf("子进程退出,退出码:%d\n", WEXITSTATUS(status));elseprintf("子进程异常,收到信号%d\n", status & 0x7F);printf("--------------------end---------------\n");return 0;
}

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:

#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[]);
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：


#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/wait.h>int main()
{int status;printf("--------------------begin-------------\n");pid_t pid = fork();if (pid == 0){// 我们想替换的程序 "ls -a -l"// ls 的路径:/usr/bin/ls//"-a" "-l" 时ls命令的参数// 最后结束要以NULL结尾char *argv[] = {"ls", "-a", "-l", NULL};execv("/usr/bin/ls", argv);}waitpid(-1, &status, 0);if (WIFEXITED(status))printf("子进程退出,退出码:%d\n", WEXITSTATUS(status));elseprintf("子进程异常,收到信号%d\n", status & 0x7F);printf("--------------------end---------------\n");return 0;
}

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：

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/wait.h>int main()
{int status;printf("--------------------begin-------------\n");pid_t pid = fork();if (pid == 0){// 我们想替换的程序 "ls -a -l"// ls 的路径:/usr/bin/ls//"-a" "-l" 时ls命令的参数// 最后结束要以NULL结尾execlp("ls", "ls", "-a", "-l", NULL);}waitpid(-1, &status, 0);if (WIFEXITED(status))printf("子进程退出,退出码:%d\n", WEXITSTATUS(status));elseprintf("子进程异常,收到信号%d\n", status & 0x7F);printf("--------------------end---------------\n");return 0;
}

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：

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/wait.h>int main()
{extern char **environ;int status;printf("--------------------begin-------------\n");pid_t pid = fork();if (pid == 0){// 我们想替换的程序 "ls -a -l"// ls 的路径:/usr/bin/ls//"-a" "-l" 时ls命令的参数// 最后结束要以NULL结尾execle("./newdir/otherproc", "otherproc", NULL, environ);}waitpid(-1, &status, 0);if (WIFEXITED(status))printf("子进程退出,退出码:%d\n", WEXITSTATUS(status));elseprintf("子进程异常,收到信号%d\n", status & 0x7F);printf("--------------------end---------------\n");return 0;
}

newdir/otherproc.cc

#include <iostream>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>using namespace std;int main()
{cout << "hello world"<< "hello:" << getenv("hello") << endl;cout << "hello world"<< "hello:" << getenv("hello") << endl;cout << "hello world"<< "hello:" << getenv("hello") << endl;return 0;
}

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：

#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);
}

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：

#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/wait.h>
#include <assert.h>#define SEP " "
#define MAX 1024
#define MAX_SUB 64// 分割命令"ls -a -l" --> "ls","-a" "-l"
void split(char buff[], char *subbuff[])
{assert(buff);assert(subbuff);int i = 0;subbuff[i++] = strtok(buff, SEP);while (subbuff[i++] = strtok(NULL, SEP)) // 如果没有找到分割，就会返回NULL;
}// 代码测定，打印命令
void debug(char *subbuff[])
{int i = 0;while (subbuff[i]){printf("%s\n", subbuff[i++]);}
}// 显示环境变量
void showenv()
{extern char **environ;for (int i = 0; environ[i]; i++){printf("[%d]:%s\n", i, environ[i]);}
}int main()
{int status = 0;            // 退出码参数char myenv[32][512] = {0}; // 用户自定义环境变量int index_env = 0;int last_exit = 0;while (1){char buff[MAX] = {0}; // 存储命令行输入的命令字符串char *subbuff[MAX_SUB] = {NULL};printf("wq@[aliyum]$:");fflush(stdout);// 1.获得命令字符串fgets(buff, sizeof(buff), stdin);// 2.解析命令// ls -a -l\n\0,strlen=9,index(\n)=8,去除回车。buff[strlen(buff) - 1] = '\0';// 分割字符串split(buff, subbuff);// 处理内建命令//  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if (strcmp(subbuff[0], "cd") == 0){if (subbuff[1] != NULL)chdir(subbuff[1]);continue;}else if (strcmp(subbuff[0], "export") == 0){if (subbuff[1] != NULL){// 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strcpy(myenv[index_env], subbuff[1]);putenv(myenv[index_env++]);}continue;}else if (strcmp(subbuff[0], "env") == 0){showenv();continue;}else if (strcmp(subbuff[0], "echo") == 0){// echo $PATHif (subbuff[1][0] == '$'){if (subbuff[1][1] == '?') // echo $?//最近一次推出吗{printf("%d\n", last_exit);}else // 提取环境变量{// PATHchar *subenv = subbuff[1] + 1;char *get_env = getenv(subenv);if (get_env != NULL){printf("%s=%s\n", subenv, get_env);}}}continue;}if (strcmp(subbuff[0], "ls") == 0){int comm_index = 0;while (subbuff[comm_index]){comm_index++;}// 增加高亮subbuff[comm_index] = "--color=auto";}// 3.创建子进程pid_t pid = fork();assert(pid >= 0);if (pid == 0) // 子进程{extern char **environ;// 4. 程序替换execve(subbuff[0], subbuff, environ);}// // 测试// debug(subbuff);waitpid(pid, &status, 0);if (WIFEXITED(status)){// 子进程退出设置退出码last_exit = WEXITSTATUS(status);}}return 0;
}

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