【Linux】进程的程序替换

1. 程序替换

1.创建子进程的目的是什么？

目标：为了让子进程帮父进程执行特定的任务

• 具体做法：1. 让子进程执行父进程的一部分代码

红框中的代码实际上是父进程的代码，在没有执行fork之前代码就有了，在没有创建子进程之前，父进程的代码加载到内存了，子进程被创建出来是没有独立的代码，这个代码是父进程的代码，父进程通过if判断分流让子进程去跑了

• 2.创建一个子进程不执行父进程的代码，而是让子进程在磁盘当中执行全新的程序，这种操作称之为进程的程序替换

2.了解程序是如何进行替换的

程序替换函数 execl
输入 man execl 查看程序替换接口

int execl(const char *path, const char *arg, …);
括号内部的 . . . 称为 可变参数列表，可以给c函数传递任意个数的参数
第一个参数为 要执行什么命令
第二个参数 为 要怎样执行程序
最后以NULL结尾表示参数传完了

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创建test.c文件并输入以下内容

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

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运行可执行程序发现，只有begin 以及执行 ls -l -a显示的指令

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再次修改test.c文件内容如下

#include<stdio.h>#include<stdlib.h>#include<unistd.h>int main(){printf("begin......\n");printf("begin......\n");printf("begin......\n");printf("begin......\n");printf("我已经是一个进程啦，我的PID:%d\n",getpid());                                                                                                                                                                      execl("/bin/ls", "ls", "-a", "-l", NULL);printf("end........\n");                                            printf("end........\n");                                            printf("end........\n");                                            printf("end........\n");}

test.c 经过编译形成mytest可执行程序，./可执行程序就变成进程了，CPU调度进程 ，打印出代码中的打印语句，同时调用程序替换execl，将ls程序执行起来了

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[yzq@VM-8-8-centos nn]$ file /bin/ls
/bin/ls: ELF 64-bit LSB executable, x86-64, version 1 (SYSV), dynamically linked (uses shared libs), for GNU/Linux 2.6.32, BuildID[sha1]=c8ada1f7095f6b2bb7ddc848e088c2d615c3743e, stripped

使用的 /bin/ls 命令 实际上是一个可执行程序，所以ls程序是在磁盘上的

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前面执行的是自己代码的一部分，当调用execl时，将磁盘中可执行程序替换当前进程的代码和数据
后半部分就不执行自己的代码了，执行ls所对应的代码 ，这个现象就叫做程序替换

程序替换就是让一个进程去执行另一个在磁盘中的程序，让一个进程把一个新的程序运行起来

3. 程序替换的基本原理

当前的进程执行当前代码时，如果执行了函数execl等接口，就会根据你所传入的程序的路径以及你要执行的名称及选项，把磁盘当中的一个其他的程序加载到对应的内存，
用新程序的代码替换当前进程的代码段，用当前进程的数据替换老进程的数据段

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站在进程的角度
进程的程序替换有没有创建新的进程呢？
没有，只是将新的程序加载到当前进程的代码段和数据段，用CPU去调度当前进程就可以跑起来了

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站在程序的角度
程序被加载了内存中，就可以称程序替换的接口(execl) 为加载器

当创建进程的时候，先有进程数据结构，还是先加载代码和数据？

修改test.c文件为以下内容

#include<stdio.h>2    #include<stdlib.h>3   #include<unistd.h>4    int main()5    {6        execl("/bin/ls", "ls", "-a", "-l", NULL);                                                                                                                                          7   }

此时运行可执行程序，自己就写了一个ls命令

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创建子进程，让子进程调用execl，在调用execl把代码和数据加载到内存
所以当创建进程的时候，先有进程数据结构，再加载代码和数据

程序替换是整体替换，不是局部替换

修改test.c文件内容如下

 #include<stdio.h>2    #include<stdlib.h>3   #include<unistd.h>4 #include<sys/wait.h>5    int main()6    {7      pid_t id=fork();8      if(id==0)9      {10        //child11        printf("我是子进程:%d\n",getpid());12        execl("/bin/ls", "ls", "-a", "-l", NULL);                        13      }sleep(5);14      printf("我是父进程:%d\n",getpid());15      waitpid(id,NULL,0);                                                                                                                                                                16   }  

查看子进程完成替换后会不会影响父进程，如果影响父进程，就不应该打印父进程的这句话了

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过了5秒钟，父进程结果打印出来，说明父进程不受子进程影响

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程序替换只会影响调用进程，进程具有独立性
父子进程都有自己独立的PCB 地址空间 页表 也会自己的映射关系
虽然代码有可能是跟父进程共享，当子进程进行程序替换的时候，子进程会加载新进程的代码和数据
操作系统会发生写时拷贝，将代码和数据进行区分 ，使子进程形成新的映射关系，从而使子进程不会影响到父进程

execl 返回值

如果出错了，execl返回值为-1

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修改test.c文件内容如下

#include<stdio.h>2    #include<stdlib.h>3   #include<unistd.h>4 #include<sys/wait.h>5    int main()6    {7      pid_t id=fork();8      if(id==0)9      {10        //child11        printf("我是子进程:%d\n",getpid());12       int n=execl("/bin/lsss", "lsss", "-a", "-l", NULL);//lsss命令不存在     13        printf("you can see me:%d\n",n);14        exit(0);15      }16      sleep(5);17      printf("我是父进程:%d\n",getpid());                                                                                                                                                18      waitpid(id,NULL,0);                                                                                                                            19   }                                                                                                                                                 20      

输入的lsss命令不存在，查询报错后的execl的返回值

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程序替换只要成功，就会跑去执行新程序，失败了就会继续向后运行
所以execl程序替换成功不会有返回值——>如果替换失败，一定有返回值——>如果失败了，必定返回——>只要有返回值就失败了
说明不用对execl函数的返回值进行判断，只要继续向后运行一定失败

4. 替换函数

1. execl

int execl(const char *path, const char *arg, …);
l 代表 list 链表
path：代表你想执行谁 (需要带路径)
执行一个程序最基本的原则为：找到它，加载执行它
arg：你想怎么执行它(若想执行ls指令，是只执行ls，还是执行ls- l 、ls -l -a指令
在命令行怎么执行这个命令，就把参数一个一个的传递给execl就可以了
最终以NULL结尾

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具体的实现以及返回值问题上面在演示程序替换时已经使用过啦

2. execv

int execv(const char *path, char *const argv[]);
v代表vector 容器
path：代表你想执行谁 (需要带路径)
把原来需要一个一个传的参数放在argv[]数组中

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修改test.c文件内容

1    #include<stdio.h>2    #include<stdlib.h>3   #include<unistd.h>4 #include<sys/wait.h>5    int main()6    {7      pid_t id=fork();8      if(id==0)9      {10        //child11        printf("我是子进程:%d\n",getpid());12        char *const myargv[]={"ls", "-l", "-a",NULL};
13       execv("/bin/ls",myargv);14        exit(0);15      }16      sleep(5);17      printf("我是父进程:%d\n",getpid());18      waitpid(id,NULL,0);19   }20                                                                                                                                                                                       

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执行可执行程序，依旧可以执行ls指令

3. execlp

int execlp(const char *file, const char *arg, …);
带p:代表当执行程序的时候，只需要指定程序名即可，系统会自动在PATH环境变量中查找
file: 不需要传路径，只需要把在PATH环境变量的指令传过来
最后以NULL结尾

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   #include<stdio.h>  2    #include<stdlib.h>  3   #include<unistd.h>  4 #include<sys/wait.h>  5    int main()  6    {  7      pid_t id=fork();  8      if(id==0)  9      {  10        //child  11        printf("我是子进程:%d\n",getpid());  12        execlp("ls", "ls", "-l", "-a",NULL);13        exit(0);14      }15      sleep(5);                                                                                                                                                                          16      printf("我是父进程:%d\n",getpid());                                                              17      waitpid(id,NULL,0);                                                                              18   }   

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执行可执行程序，依旧可以执行ls指令

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4. execvp

int execvp(const char *file, char *const argv[]);
带p:代表当执行程序的时候，只需要指定程序名即可，系统会自动在PATH环境变量中查找
v代表vector 容器

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     #include<stdio.h>    #include<stdlib.h>    #include<unistd.h>    #include<sys/wait.h>    int main()    {    pid_t id=fork();    if(id==0)    {    //child    printf("我是子进程:%d\n",getpid());    char* const myargv[]={"ls", "-l", "-a",NULL};    execvp("ls", myargv);    exit(0);    }    sleep(5);    printf("我是父进程:%d\n",getpid());    waitpid(id,NULL,0);                                                                                                                                                                  }    

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5. execle

int execle(const char *path, const char *arg,
…, char * const envp[]);
path：代表你想执行谁 (需要带路径)
envp[]：代表自定义环境变量
如果调用程序替换时，若不想让子进程使用父进程的环境列表，想自定义环境变量，就可以自己传一个环境变量

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在另一个目录中创建other.cc (以cc为结尾说明是一个c++程序)，并输入以下内容

#include <iostream>    
#include <unistd.h>    
#include<stdlib.h>    
using namespace std;    int main()    
{    for(int i = 0; i < 5; i++)    {    cout<< "我是另一个程序，我的pid是:"<< getpid()<<endl;                                                                                                                                 cout << " MYENV: " << (getenv("MYENV")==NULL?"NULL":getenv("MYENV")) << endl;    sleep(1);                                        }                                                    return 0;                                            
}               

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修改test.c文件为以下内容

     #include<stdio.h>    #include<stdlib.h>    #include<unistd.h>    #include<sys/wait.h>    int main()    {    pid_t id=fork();    if(id==0)    {    //child    printf("我是子进程:%d\n",getpid());    
W>       char*const myenv[]={"MYENV=YouCanSeeMe", NULL};    execle("/home/mydir/my/mm/myother", "myother", NULL,myenv);    exit(0);    }    sleep(1);    printf("我是父进程:%d\n",getpid());    int  status=0;    waitpid(id,&status,0);    return 0;                                                                                                                                                                            }                                                                                                                                                                   

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第一个路径为other.cc生成的可执行程序 myother 所在的 绝对路径

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2. 自定义shell

编写极简版本的shell(bash)
目标:为了深刻的理解shell的运行原理

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输入 ps ajx |grep bash ，发现bash就是一个进程

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由于shell是一个进程，所以用while死循环

缓冲区问题

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正常来说，运行可执行程序会显示命令行，但是由于没有\n刷新缓冲区，也没有使用相关的刷新库函数，所以命令行会一直在缓冲区中 直到 程序结束才显示，但是这是个死循环，所以什么都不会显示

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执行可执行程序后即可显示命令行

fgets 使用出现空格问题

fgets 标准输入 按行获取
char *fgets(char *s, int size, FILE *stream);
从特定的标准输入当中获取对应的命令行输入，把对应的数据放在缓冲区中

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执行可执行程序后，发现在命令行中输入 ls -a ，就会打印出 ls -a,但是输入时会多出一个空行

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正常来说，都会使用回车来到下一行，而这个回车被fgets读取到了

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将最后的回车符替换成’\0’

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此时就没有空格出现了

完整代码

: mybash.c ? ?                                                                                                                                                                ?? buffers #include<stdio.h>#include<unistd.h>#include<string.h>#include<assert.h>#include<sys/types.h>#include<sys/wait.h>#include<stdlib.h>#define MAX 1024#define ARGC 64#define SEP " "int split (char*commandstr,char*argv[]){assert(commandstr);assert(argv);argv[0]=strtok(commandstr,SEP);//在commandstr以空格作为分割符if(argv[0]==NULL)//切割失败{return -1;}int i=1;while(1){argv[i]=strtok(NULL,SEP);//继续切割空格if(argv[i]==NULL){break; }i++;                                                                                                                                                                                 }
W>}void print(char*argv[]){int i=0;for(i=0;argv[i];i++){                                                                                                                                                                                       printf("%d:%s\n",i,argv[i]);}}int main(){   while(1){char commandstr[MAX]={0};char*argv[ARGC]={NULL};printf("[yzq@mymachine currpath]# ");fflush(stdout);char*s= fgets(commandstr,sizeof(commandstr),stdin);assert(s);(void)s;//保证在release方式发布的时候，因为去掉assert了，所以s就没有被使用，而带来的编译告警, 什么都没做，但是充当一次使用commandstr[strlen(commandstr)-1]='\0';//将最后的回车符用'\0'覆盖掉int n= split(commandstr,argv); //从命令行中获取的字符串传入argv中if(n!=0)continue;//切割失败就什么都不做// print(argv);//打印字符串pid_t id=fork();assert(id>=0);(void)id;if(id==0){//childexecvp(argv[0],argv);exit(1);}int status=0;waitpid(id,&status,0);}}

动图演示