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📖?個人專欄：《C++系列》《Linux系列》《算法系列》

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目錄

📖一、進程程序替換

1.替換的演示

?替換與執(zhí)行流

?程序替換≠進程替換

2.替換的原理

📚 系統(tǒng)調(diào)用exec

📚?進程控制塊 (PCB)

📚?內(nèi)存管理

3. 替換的函數(shù)

📚 execl

📚 execv

📚 execp

📚 exece

🚩本質(zhì)?

📖二、命令行解釋器shell

1.shell的本質(zhì)

2.shell的模擬實現(xiàn)

📚頭文件

📚宏定義

📚全局變量

📚獲取信息

📚交互式命令行輸入

📚字符串分割

📚內(nèi)置命令

📚普通命令

📚main函數(shù)

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📖一、進程程序替換

上一篇博客我們講到了進程的誕生過程：父進程調(diào)用fork創(chuàng)建子進程，子進程執(zhí)行父進程相同的程序。但是很多時候我們希望子進程執(zhí)行另一個程序，此時就要用到exec函數(shù)調(diào)用，子進程中調(diào)用exec函數(shù)之后，該程序就會被調(diào)用的程序代替，這就是程序替換：

1.替換的演示

#include<stdio.h>
#include<unistd.h>
int main()
{int a = 0;a++;execl("/usr/bin/pwd", "pwd", NULL);printf("%d\n", a++);
}

此時程序執(zhí)行結(jié)果：

我們可以看到，原先的程序執(zhí)行結(jié)果應(yīng)該是打印變量a，但是被替換成了pwd指令（指令本身也是一個可執(zhí)行程序），這就是程序替換的過程：當進程調(diào)用exec函數(shù)時，該進程的代碼和數(shù)據(jù)完全被新程序替換，從新程序的啟動例程開始執(zhí)行。

?替換與執(zhí)行流

int main()
{int a = 0;printf("Before: %d\n",a++);execl("/usr/bin/pwd", "pwd", NULL);printf("After: %d\n", a++);
}

不對呢，不是說程序替換之后原來的代碼和數(shù)據(jù)都會被替換嗎，那為什么這里還會顯示原程序的打印信息呢？下面進行分析：

?雖然進程調(diào)用exec函數(shù)后會發(fā)生程序替換，原程序的代碼和數(shù)據(jù)會被覆蓋，但在調(diào)用 exec 函數(shù)之前，執(zhí)行流還是要經(jīng)過原來的步驟的，上述代碼中，在調(diào)用execl之前，執(zhí)行流先執(zhí)行printf函數(shù)代碼，由于以“\n”結(jié)尾，輸出緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)會被刷新到終端，所以我們能看到“Before: 0”：

修改一下代碼，結(jié)尾不加“\n”，?此時數(shù)據(jù)會被保留在輸出緩沖區(qū)當中，后面又因為發(fā)生程序替換，緩沖區(qū)的內(nèi)容被清除了，所以最終終端不會顯示"Before: 0"內(nèi)容：

int main()
{int a = 0;printf("Before: %d",a++);execl("/usr/bin/pwd", "pwd", NULL);printf("After: %d\n", a++);
}

?程序替換≠進程替換

程序替換會改變進程的執(zhí)行內(nèi)容，但它不會改變進程的進程ID，也就是說，進程還是原來的進程，程序替換并不是進程替換，且看下面示例：

先寫一個可執(zhí)行程序test2，源代碼為：

#include<stdio.h>
#include<unistd.h>int main()
{// 打印當前pid，ppidprintf("After: pid = %d, ppid = %d\n",getpid(),getppid()); 
}

另一個可執(zhí)行程序test源代碼為：

#include<stdio.h>
#include<unistd.h>int main()
{// \n結(jié)尾直接打印當前內(nèi)容printf("Before: pid = %d, ppid = %d\n",getpid(),getppid());// 程序替換成test2execl("/home/ywh/linux_gitee/test_excel/test2", "test2", NULL);
}

test執(zhí)行結(jié)果：

我們可以看到，程序替換前后都是同一個進程，結(jié)論：exec并不創(chuàng)建新進程。

2.替換的原理

📚 系統(tǒng)調(diào)用exec

exec 系列函數(shù)（如 execl, execv, execve 等）是用來將當前進程的內(nèi)存空間、程序代碼段、數(shù)據(jù)段等替換成一個新的程序。該系統(tǒng)調(diào)用不會創(chuàng)建新進程，而是直接用新程序替換當前進程的內(nèi)容。

具體來說，exec 調(diào)用會：

①：清空當前進程的代碼段、數(shù)據(jù)段、堆棧等。

②：加載并執(zhí)行新程序的代碼段、數(shù)據(jù)段、堆棧等。

③：保留當前進程的進程 ID (PID)、父進程標識符 (PPID)、文件描述符等。

📚?進程控制塊 (PCB)

操作系統(tǒng)通過 進程控制塊 (PCB) 來管理進程，每個進程都有一個獨立的 PCB，包含了進程的各種狀態(tài)信息，比如進程的 PID、父進程 ID、程序計數(shù)器、堆棧指針等。

當調(diào)用 exec 時，進程的 PCB 中的狀態(tài)信息并沒有被改變，操作系統(tǒng)只會根據(jù) exec 調(diào)用的參數(shù)加載新的程序內(nèi)容（代碼段、數(shù)據(jù)段等），并且更新程序計數(shù)器和堆棧指針等信息。

📚?內(nèi)存管理

操作系統(tǒng)中的內(nèi)存管理模塊負責為進程分配內(nèi)存。當進程調(diào)用 exec 時，操作系統(tǒng)會：

①：釋放原進程的內(nèi)存（代碼段、數(shù)據(jù)段、堆棧）。

②：加載新程序的內(nèi)存：從磁盤（例如 ELF 文件或其他可執(zhí)行文件）中加載新的程序到內(nèi)存，包括新的代碼段、數(shù)據(jù)段等。

③：更新堆棧和堆的布局，準備新程序的運行環(huán)境。

3. 替換的函數(shù)

其實有六種以exec開頭的函數(shù),統(tǒng)稱exec函數(shù):

 #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[]);

為了便于理解，我們可以把exec后面出現(xiàn)的?l、p、e、v?看作exec的四個選項，下面我們依次介紹這些選項：

📚 execl

l(list) : 參數(shù)采用列表?

path：表示要執(zhí)行的程序路徑；

arg：表示程序本身的參數(shù)，第一個是程序本身的名稱，后續(xù)為程序的參數(shù)（傳遞系統(tǒng)指令時，參數(shù)就是指令的選項），必須以NULL結(jié)尾。

示例：

execl("/bin/ls", "ls", "-l", (char *)NULL);

📚 execv

v(vector) : 參數(shù)用數(shù)組

path：表示要執(zhí)行的程序路徑；

argv：參數(shù)列表，程序的參數(shù)以數(shù)組的形式傳遞，數(shù)組內(nèi)部也必須以NULL結(jié)尾。

示例：

execv("/bin/ls", (char *[]){"ls", "-l", NULL});

📚 execp

p(path) : 自動搜索環(huán)境變量PATH

它可以通過環(huán)境變量 PATH 來查找可執(zhí)行文件，而不需要提供絕對路徑。

示例：

execlp("ls", "ls", "-l", (char *)NULL);

📚 exece

e(env) : 表示自己維護環(huán)境變量?

execle 允許顯式地傳遞一個 環(huán)境變量數(shù)組，而不是繼承當前進程的環(huán)境變量。通過 execle，你可以自定義新進程的環(huán)境變量。

示例：

char *const envp[] = {"PATH=/bin:/usr/bin", "TERM=console", NULL};
execle("ps", "ps", "-ef", NULL, envp);

🚩本質(zhì)?

事實上，只有execve才是真正的系統(tǒng)調(diào)用，而其他四個函數(shù)最后都會調(diào)用execve：

📖二、命令行解釋器shell

我們在linux學習過程中離不開shell，shell是命令行解釋工具，是用戶與內(nèi)核之間的工具，提供了一個接口，通過它，我們可以執(zhí)行命令、啟動程序等與操作系統(tǒng)進行交互。shell解析用戶輸入的命令，返回執(zhí)行結(jié)果。

?shell的本質(zhì)是什么呢？

1.shell的本質(zhì)

?shell本質(zhì)其實是一個進程：

當我們啟動一個終端或打開一個命令行窗口的時候，相當于啟動了一個shell進程（也叫bash進程），這個進程會等待用戶輸入的命令，并將命令通過系統(tǒng)調(diào)用傳遞給內(nèi)核，內(nèi)核執(zhí)行相應(yīng)的操作后，返回給shell。

shell的工作原理就是循環(huán)以下操作：

1??獲取命令行 --> 2??解析命令行 --> 3??fork創(chuàng)建子進程?

--> 4??execve替換子進程 --> 5??wait等待子進程退出 ->1??

根據(jù)這些思路，我們可以模擬實現(xiàn)一個shell：

2.shell的模擬實現(xiàn)

實現(xiàn)一個簡化版的shell，需要執(zhí)行以下功能：

① 獲取當前工作目錄、用戶名、主機名。

② 解析用戶輸入的命令行并執(zhí)行命令。

③ 內(nèi)置支持一些常見命令，如cd、echo、export等。

④ 創(chuàng)建子進程來執(zhí)行普通命令，并支持基本的命令分割和管道處理。

📚頭文件

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <assert.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/wait.h>

這些頭文件提供了標準輸入輸出、字符串處理、系統(tǒng)調(diào)用等功能。unistd包含與進程相關(guān)的函數(shù)（如fork，exit）

📚宏定義

#define LEFT "["
#define RIGHT "]"
#define LABLE "#"
#define DELIM " \t"
#define LINE_SIZE 1024
#define ARGC_SIZE 32
#define EXIT_CODE 44

LEFT、RIGHT、LABLE：用于命令行提示符的格式化；

DELIM：用于命令行字符串的分隔符；

LINE_SIZE、ARGC_SIZE：定義了命令行和參數(shù)的緩沖區(qū)大小；

EXIT_CODE：用于子進程異常退出的返回值。

📚全局變量

int lastcode = 0;
int quit = 0;
extern char **environ;
char commandline[LINE_SIZE];
char *argv[ARGC_SIZE];
char pwd[LINE_SIZE];
char myenv[LINE_SIZE];

lastcode：保存上一個命令的退出碼；

quit：用于控制shell是否退出；

commandline：存儲用戶輸入的命令行字符串；

argv：存儲解析后的命令和參數(shù)；

pwd：保存當前工作目錄；

myenv：存儲自定義的環(huán)境變量。

📚獲取信息

const char *getusername() {return getenv("USER");
}const char *gethostname() {return getenv("HOSTNAME");
}void getpwd() {getcwd(pwd, sizeof(pwd));
}

getusername：獲取用戶名

gethostname：獲取主機名

getpwd：獲取當前工作目錄

📚交互式命令行輸入

void interact(char *cline, int size) {getpwd();printf(LEFT"%s@%s %s"RIGHT""LABLE" ", getusername(), gethostname(), pwd);char *s = fgets(cline, size, stdin);assert(s);(void)s;cline[strlen(cline)-1] = '\0';
}

interact函數(shù)顯示格式化的提示符，并等待用戶輸入命令。輸入命令存儲在cline中；輸入的命令符末行換行符替換成終止符 '\0'。

📚字符串分割

int splitstring(char cline[], char *_argv[]) {int i = 0;argv[i++] = strtok(cline, DELIM);while(_argv[i++] = strtok(NULL, DELIM));return i - 1;
}

splitstring函數(shù)使用strtok將輸入的命令行字符串按空格和制表符分割成多個命令或參數(shù)，存儲在指針數(shù)組argv中。

📚內(nèi)置命令

int buildCommand(char *_argv[], int _argc) {if(_argc == 2 && strcmp(_argv[0], "cd") == 0) {chdir(argv[1]);getpwd();sprintf(getenv("PWD"), "%s", pwd);return 1;}else if(_argc == 2 && strcmp(_argv[0], "export") == 0) {strcpy(myenv, _argv[1]);putenv(myenv);return 1;}else if(_argc == 2 && strcmp(_argv[0], "echo") == 0) {if(strcmp(_argv[1], "$?") == 0) {printf("%d\n", lastcode);lastcode=0;}else if(*_argv[1] == '$') {char *val = getenv(_argv[1]+1);if(val) printf("%s\n", val);}else {printf("%s\n", _argv[1]);}return 1;}if(strcmp(_argv[0], "ls") == 0) {_argv[_argc++] = "--color";_argv[_argc] = NULL;}return 0;
}

提供了幾個內(nèi)置命令：

cd：改變當前目錄

export：設(shè)置一個新的環(huán)境變量

enho：打印變量值或退出碼

📚普通命令

隊友普通命令的執(zhí)行，需要調(diào)用exec程序替換成目標命令的程序：

void NormalExcute(char *_argv[]) {pid_t id = fork();if(id < 0) {perror("fork");return;}else if(id == 0) {execvp(_argv[0], _argv);exit(EXIT_CODE);}else {int status = 0;pid_t rid = waitpid(id, &status, 0);if(rid == id) {lastcode = WEXITSTATUS(status);}}
}

NormalExcute使用fork創(chuàng)建子進程，子進程調(diào)用execvp，替換當前程序，父進程等待子進程結(jié)束。

📚main函數(shù)

int main() {while(!quit) {interact(commandline, sizeof(commandline));int argc = splitstring(commandline, argv);if(argc == 0) continue;int n = buildCommand(argv, argc);if(!n) NormalExcute(argv);}return 0;
}

main函數(shù)進入循環(huán)，不斷接收用戶輸入的命令并解析執(zhí)行。

如果命令是內(nèi)置命令，則在當前進程中執(zhí)行；如果是普通命令，通過程序替換在子進程中執(zhí)行。

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以上就是【劇幕中的靈魂更迭：探索Shell下的程序替換】的全部內(nèi)容，歡迎指正~??

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