【Linux】18.Linux进程控制（2）

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3. 进程程序替换

3.1 单进程版 – 看看程序替换

makefile

mycommand:mycommand.cgcc -o $@ $^ -std=c99
.PHONY:clean
clean:rm -f mycommand

mycommand.c

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>// 提供execl, getpid等函数
#include <stdlib.h>int main(){// 打印exec调用前的进程信息// getpid(): 获取当前进程ID// getppid(): 获取父进程IDprintf("before: I am a process, pid:%d, ppid:%d\n",getpid(),getppid());//这类方法的标准写法// execl函数执行新程序// 参数1 "/usr/bin/ls": 要执行的程序的完整路径// 参数2 "ls": 程序名称（argv[0]）// 参数3 "-a": 显示所有文件（包括隐藏文件）// 参数4 "-l": 使用长格式显示// 参数5 NULL: 参数列表结束标志execl("/usr/bin/ls","ls", "-a", "-l", NULL);// 如果exec执行成功，这行代码永远不会被执行// 因为原程序的内容已被ls程序替换printf("after: I am a process, pid:%d, ppid:%d\n",getpid(),getppid());return 0;
}

打印结果：

ydk_108@iZuf68hz06p6s2809gl3i1Z:~/108/lesson17$ ./mycommand
before: I am a process, pid:261495, ppid:261085
total 36
drwxrwxr-x  2 ydk_108 ydk_108  4096 Jan 20 22:26 .
drwxrwxr-x 13 ydk_108 ydk_108  4096 Jan 20 22:14 ..
-rw-rw-r--  1 ydk_108 ydk_108    82 Jan 20 22:16 makefile
-rwxrwxr-x  1 ydk_108 ydk_108 16832 Jan 20 22:26 mycommand
-rw-rw-r--  1 ydk_108 ydk_108   895 Jan 20 22:26 mycommand.c
ydk_108@iZuf68hz06p6s2809gl3i1Z:~/108/lesson17$ 

这个程序被ls替换了。

一开始这个进程有自己的数据段和代码段，ls有自己的数据段和代码段，但是这里ls直接把mycommand的进程的代码段和数据段在内存中覆盖了，进而把页表中的虚拟地址也更改了。

这个就叫做进程替换，也就是进程替换的基本原理。

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3.2 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。

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3.3 替换函数

其实有六种以exec开头的函数,统称exec函数：（这六个都是库函数调用接口，他们的区别只是传参的不同）

#include <unistd.h>int execl(const char *path, const char *arg, ...);// 第一个参数是完整路径，第二个参数通常是程序名
int execlp(const char *file, const char *arg, ...);//execlp自己会在默认的PATH系统的环境变量里面找，所以可以不带路径
int execle(const char *path, const char *arg, ...,char *const envp[]);// e 表示可以传递环境变量，最后一个参数是环境变量数组
int execv(const char *path, char *const argv[]);// v 表示参数以数组形式传递，比execl更适合参数数量不确定的情况
int execvp(const char *file, char *const argv[]);// 结合了v(数组)和p(PATH搜索)的特点
int execvpe(const char *file, char *const argv[], char *const envp[]);// 结合了v(数组)、p(PATH搜索)和e(环境变量)的特点

这个和上面6个不一样，这个是系统调用接口，上面6个是库函数调用接口。

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。

要执行一个程序首先就要找到这个程序，所以这里面所有的exec函数的第一个参数都是帮我们绝对如何找到这个程序的。

找到这个程序后，要告诉系统如何执行这个程序。要不要涵盖选项？涵盖哪些？

如果exec*能够实现系统程序，那么可以实现我们自己的程序吗？

可以的。

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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。 （l和v不会同时出现）

• l(list) : 表示参数采用列表，一个一个传参

• v(vector) : 参数用数组

• p(path) : 有p自动搜索环境变量PATH

• e(env) : 表示自己维护环境变量

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3.4 多进程版 – 验证各种程序替换接口

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>// 提供execl, getpid等函数
#include <stdlib.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/wait.h>int main(){pid_t id =fork();if(id == 0){//childprintf("before: I am a process, pid:%d, ppid:%d\n",getpid(),getppid());sleep(5);execl("/usr/bin/ls","ls", "-a", "-l", NULL);printf("after: I am a process, pid:%d, ppid:%d\n",getpid(),getppid());exit(0);}//fatherpid_t ret = waitpid(id, NULL, 0);if(ret > 0){printf("wait success, father pid:%d, ret id:%d\n",getpid(), ret);}sleep(5);return 0;
}

运行结果：

ydk_108@iZuf68hz06p6s2809gl3i1Z:~/108/lesson17$ ./mycommand
before: I am a process, pid:261679, ppid:261678
total 36
drwxrwxr-x  2 ydk_108 ydk_108  4096 Jan 20 22:54 .
drwxrwxr-x 13 ydk_108 ydk_108  4096 Jan 20 22:14 ..
-rw-rw-r--  1 ydk_108 ydk_108    82 Jan 20 22:16 makefile
-rwxrwxr-x  1 ydk_108 ydk_108 17008 Jan 20 22:54 mycommand
-rw-rw-r--  1 ydk_108 ydk_108   628 Jan 20 22:54 mycommand.c
wait success, father pid:261678, ret id:261679
ydk_108@iZuf68hz06p6s2809gl3i1Z:~/108/lesson17$ 

通过命令查看：

ydk_108@iZuf68hz06p6s2809gl3i1Z:~/108/lesson17$ while :; do ps ajx |head -1 && ps ajx |grep mycommand |grep -v grep; sleep 1;echo"----------";donePPID     PID    PGID     SID TTY        TPGID STAT   UID   TIME COMMAND
echo----------: command not foundPPID     PID    PGID     SID TTY        TPGID STAT   UID   TIME COMMAND
echo----------: command not foundPPID     PID    PGID     SID TTY        TPGID STAT   UID   TIME COMMAND261085  261678  261678  261085 pts/0     261678 S+    1001   0:00 ./mycommand261678  261679  261678  261085 pts/0     261678 S+    1001   0:00 ./mycommand
echo----------: command not foundPPID     PID    PGID     SID TTY        TPGID STAT   UID   TIME COMMAND261085  261678  261678  261085 pts/0     261678 S+    1001   0:00 ./mycommand261678  261679  261678  261085 pts/0     261678 S+    1001   0:00 ./mycommand
echo----------: command not foundPPID     PID    PGID     SID TTY        TPGID STAT   UID   TIME COMMAND261085  261678  261678  261085 pts/0     261678 S+    1001   0:00 ./mycommand261678  261679  261678  261085 pts/0     261678 S+    1001   0:00 ./mycommand
echo----------: command not foundPPID     PID    PGID     SID TTY        TPGID STAT   UID   TIME COMMAND261085  261678  261678  261085 pts/0     261678 S+    1001   0:00 ./mycommand261678  261679  261678  261085 pts/0     261678 S+    1001   0:00 ./mycommand
echo----------: command not foundPPID     PID    PGID     SID TTY        TPGID STAT   UID   TIME COMMAND261085  261678  261678  261085 pts/0     261678 S+    1001   0:00 ./mycommand261678  261679  261678  261085 pts/0     261678 S+    1001   0:00 ./mycommand
echo----------: command not foundPPID     PID    PGID     SID TTY        TPGID STAT   UID   TIME COMMAND261085  261678  261678  261085 pts/0     261678 S+    1001   0:00 ./mycommand
echo----------: command not foundPPID     PID    PGID     SID TTY        TPGID STAT   UID   TIME COMMAND261085  261678  261678  261085 pts/0     261678 S+    1001   0:00 ./mycommand
echo----------: command not foundPPID     PID    PGID     SID TTY        TPGID STAT   UID   TIME COMMAND261085  261678  261678  261085 pts/0     261678 S+    1001   0:00 ./mycommand
echo----------: command not foundPPID     PID    PGID     SID TTY        TPGID STAT   UID   TIME COMMAND261085  261678  261678  261085 pts/0     261678 S+    1001   0:00 ./mycommand
echo----------: command not foundPPID     PID    PGID     SID TTY        TPGID STAT   UID   TIME COMMAND
echo----------: command not foundPPID     PID    PGID     SID TTY        TPGID STAT   UID   TIME COMMAND
echo----------: command not found
^C

程序替换有没有创建新的子进程？

没有，子进程的pid没有变。不创建新进程，只进行进程的程序代码和数据的替换结构。

补充知识：

1. 为什么after后面的代码没有执行呢？

   因为程序替换后，after的printf的代码已经是老程序的代码了，被ls覆盖掉了。

2. 程序替换成功后，exit之后的代码不会执行，那么如果替换失败呢？（例如路径写错，命令不存在）

   那么程序就会继续往后走。所以exit*函数只有失败有返回值，没有成功的返回值。

3. 我们的CPU怎么知道新程序应该进入的入口地址呢？

   Linux中形成的可执行程序是有格式的，EIF，是有可执行程序的表头的，可执行程序的入口就在表中。

4. 实际上不只是可以调用ls命令，还可以调用自己写的C程序，python程序，shell脚本，Java程序。但是无论是我们的可执行程序还是脚本，为什么能够跨语言调用呢?

   因为所有的语言运行起来，本质上都是进程。

5. 环境变量是什么时候给进程的呢？

   环境变量实际上也是数据。当我们创建子进程的时候，环境变量就已经被子进程继承下去了。所以程序替换中，环境变量信息不会被子进程替换。

6. 如果我想给子进程传递环境变量，应该怎么传递呢？

   1. 新增环境变量

      直接给bash添加环境变量

      在父进程中使用putenv()添加环境变量

   2. 彻底替换环境变量

      使用execle的时候把环境变量参数换成自己的

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3.5 自定义shell

touch.sh

#!/usr/bin/bashecho "hello 1"
echo "hello 1"
echo "hello 1"
echo "hello 1"
echo "hello 1"
ls -a -l

运行：bash touch.sh

ydk_108@iZuf68hz06p6s2809gl3i1Z:~/108/lesson17$ bash touch.sh
hello 1
hello 1
hello 1
hello 1
hello 1
total 40
drwxrwxr-x  2 ydk_108 ydk_108  4096 Jan 21 00:00 .
drwxrwxr-x 13 ydk_108 ydk_108  4096 Jan 20 22:14 ..
-rw-rw-r--  1 ydk_108 ydk_108    82 Jan 20 22:16 makefile
-rwxrwxr-x  1 ydk_108 ydk_108 17008 Jan 20 22:54 mycommand
-rw-rw-r--  1 ydk_108 ydk_108   628 Jan 20 22:54 mycommand.c
-rw-rw-r--  1 ydk_108 ydk_108   101 Jan 21 00:00 touch.sh
ydk_108@iZuf68hz06p6s2809gl3i1Z:~/108/lesson17$ 

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命令行交互的shell代码：

// 包含必要的头文件
#include <stdio.h>      // 标准输入输出
#include <stdlib.h>     // 标准库函数
#include <assert.h>     // 断言
#include <string.h>     // 字符串操作
#include <unistd.h>     // UNIX标准函数
#include <sys/types.h>  // 系统数据类型
#include <sys/wait.h>   // 进程等待// 定义shell提示符的格式
#define LEFT "["        // 左边界符号
#define RIGHT "]"       // 右边界符号
#define LABLE "#"      // 提示符标签
#define DELIM " \t"    // 命令分隔符(空格和制表符)
#define LINE_SIZE 1024  // 命令行最大长度
#define ARGC_SIZE 32   // 命令参数最大个数
#define EXIT_CODE 44   // 子进程退出码// 全局变量定义
int lastcode = 0;      // 上一条命令的返回值
int quit = 0;          // 退出标志
extern char **environ; // 环境变量数组
char commandline[LINE_SIZE];  // 存储命令行
char *argv[ARGC_SIZE];        // 存储解析后的命令参数
char pwd[LINE_SIZE];          // 存储当前工作目录// 自定义环境变量存储空间
char myenv[LINE_SIZE];// 获取当前用户名
const char *getusername(){return getenv("USER");
}// 获取主机名
const char *gethostname(){return getenv("HOSTNAME");
}// 获取当前工作目录
void getpwd(){getcwd(pwd, sizeof(pwd));
}// 实现shell交互界面
void Interact(char *cline, int size){getpwd();// 打印提示符，格式为 [用户名@主机名 当前目录]#printf(LEFT"%s@%s %s"RIGHT""LABLE" ", getusername(), gethostname(), pwd);// 读取用户输入char *s = fgets(cline, size, stdin);assert(s);(void)s;// 去掉输入字符串末尾的换行符cline[strlen(cline)-1] = '\0';
}// 解析命令行字符串为参数数组
int splistring(char cline[], char *_argv[]){int i = 0;// 获取第一个参数(命令名)argv[i++] = strtok(cline, DELIM);// 获取后续参数while(_argv[i++] = strtok(NULL, DELIM));return i-1;  // 返回参数个数
}// 执行外部命令
void NormalExcute(char *_argv[]){pid_t id = fork();if(id < 0){perror("fork");return;}else if(id == 0){  // 子进程// 使用execvp执行命令execvp(_argv[0], _argv);exit(EXIT_CODE);}else{  // 父进程int status = 0;// 等待子进程结束pid_t rid = waitpid(id, &status, 0);if(rid == id){// 保存命令执行结果lastcode = WEXITSTATUS(status);}}
}// 处理内建命令
int buildCommand(char *_argv[], int _argc){// cd命令if(_argc == 2 && strcmp(_argv[0],"cd")==0){chdir(argv[1]);  // 改变当前目录getpwd();        // 更新pwdsprintf(getenv("PWD"),"%s", pwd);  // 更新PWD环境变量return 1;}// export命令：设置环境变量else if(_argc == 2 && strcmp(_argv[0],"export")==0){strcpy(myenv, _argv[1]);putenv(myenv);return 1;}// echo命令：显示文本或变量值else if(_argc == 2 && strcmp(_argv[0],"echo")==0){if(strcmp(_argv[1],"$?")==0){  // 显示上一条命令的返回值printf("%d\n",lastcode);lastcode=0;}else if(*_argv[1]=='$'){  // 显示环境变量的值char *val = getenv(_argv[1]+1);if(val) printf("%s\n",val);}else{  // 显示普通文本printf("%s\n",_argv[1]);}return 1;}// 为ls命令添加颜色支持if(strcmp(_argv[0],"ls")==0){_argv[_argc++] = "--color";_argv[_argc] = NULL;}return 0;  // 不是内建命令
}int main(){while(!quit){//1.//2.交互问题，获取命令行Interact(commandline, sizeof(commandline));//3.子串分割的问题，解析命令行int argc = splistring(commandline, argv);if(argc == 0) continue;//4.指令的判断,判断是不是内建命令//debug//for(int i=0;argv[i];i++){//    printf("[%d]: %s\n",i,argv[i]);//}//内键命令本质上就是shell内部的一个函数。int n = buildCommand(argv, argc);//5.普通命令的执行// 如果不是内建命令，则作为外部命令执行if(!n) NormalExcute(argv);}return 0;
}

打印结果：

ydk_108@iZuf68hz06p6s2809gl3i1Z:~/108/lesson17$ ./myshell
[ydk_108@(null) /home/ydk_108/108/lesson17]# ls -a
.  ..  makefile  mycommand  mycommand.c  myshell  myshell.c  touch.sh
[ydk_108@(null) /home/ydk_108/108/lesson17]# pwd
/home/ydk_108/108/lesson17
[ydk_108@(null) /home/ydk_108/108/lesson17]# 
Segmentation fault
ydk_108@iZuf68hz06p6s2809gl3i1Z:~/108/lesson17$ 

所以，当我们进行登陆的时候，系统就是要启动一个shell进程。

我们shell本身的环境变量是从哪里来的？

当用户登录的时候，shell会读取目录用户下的.bash_profile文件，里面保存了导入环境变量的方式。