創(chuàng)建子進程的目的？

目的:為了幫助父進程完成一些特定的任務(wù)；
子進程幫助父進程完成任務(wù)的方式有那些?
1、執(zhí)行一段父進程的代碼；（這是我們初學(xué)者經(jīng)常使用子進程的方式）：

2、讓子進程執(zhí)行一段與父進程完全不一樣、全新的代碼；
那么如何做到讓子進程執(zhí)行一段全新的代碼呢？
對子進程實現(xiàn)程序替換；

程序替換

如何實現(xiàn)程序替換？

Linux給我們提供了7個接口：
#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 execvpe(const char *file, char *const argv[], char *const envp[]);
int execve(const char *path, char *const argv[], char *const envp[]);
這些函數(shù)叫做exec函數(shù)組，我們暫且先不詳細講解著些函數(shù)的具體用法，我們后文在重點講解；
我們現(xiàn)在只需知道通過調(diào)用這7個函數(shù)中的任意一個就可以完成程序替換；

什么是程序替換？

先見一見單進程版本的程序替換

為此我們先從最簡單的ececl()函數(shù)講解著走：
execl函數(shù)第一個參數(shù)path，表示我們要替換的程序在哪里，第二個參數(shù)arg表示我們想用怎么樣的方式運行我們的程序！寫完記得在傳個參數(shù)NULL結(jié)尾！
test代碼：

運行結(jié)果如下：

現(xiàn)象：我們觀察到了我們的進程執(zhí)行了我們begin的打印，然后又立馬執(zhí)行了ls -a -l命令，隨之整個進程就運行結(jié)束了，我們發(fā)現(xiàn)并沒有像我們想象的那樣接著運行我們所寫的printf(“end…\n”);語句；
這是為什么？
想要弄清楚這些現(xiàn)象產(chǎn)生的原因我們就必須清楚execl()接口進行程序替換的原理；

程序替換原理

首先根據(jù)上面的代碼，我們自己寫的代碼(比如:打印begin的語句)在運行起來的時候就已經(jīng)是一個進程，那么這時候該進程就已經(jīng)有了自己的內(nèi)核數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)了，比如：pcb、進程地址空間、頁表等！現(xiàn)在當(dāng)我們的進程運行到ececl語句的時候，會發(fā)生程序替換：

當(dāng)我們自己寫的程序運行到execl()語句時，就會根據(jù)ececl()的path參數(shù)，將ls命令從磁盤加載進物理內(nèi)存！加載到物理內(nèi)存的那個地方呢？加載到我們自己寫的程序?qū)?yīng)的物理內(nèi)存上的位置！
也就是說用ls命令的數(shù)據(jù)和代碼，替換原來老的程序的代碼和數(shù)據(jù)，物理空間還是原來的物理空間，頁表的映射關(guān)系也基本不變，如果ls命令數(shù)據(jù)和代碼太多了，os會在頁表增加一些映射關(guān)系！然后該進程開始重新運行一段新的程序！

明白了上面的原理，我們就能明白為什么我們的老程序在運行到execl過后，會執(zhí)行一段新的程序！同時由于新程序的代碼和數(shù)據(jù)替換了老程序的代碼和數(shù)據(jù)，當(dāng)新程序運行結(jié)束過后，并不會再去運行原來老的程序的剩下的語句，比如上面代碼中的打印end語句，因為打印end語句屬于老程序的代碼，而老程序的代碼在execl接口中就被替換了，新程序運行完畢，也就表示這個進程終止了！新程序的退出碼也就是該進程的退出碼了！
換而言之，就是當(dāng)我們的程序利用execl完成程序替換過后，當(dāng)前進程的退出碼就由新程序決定了！
為此我們可以查看一下在程序替換過后，進程的退出碼！
測試代碼：


當(dāng)然我們也可以讓我們的程序執(zhí)行一個錯誤的ls命令，再次來觀察當(dāng)前進程的退出碼：


站在進程的角度的角度來看等待程序替換：
現(xiàn)在我是一個進程，我的代碼段和數(shù)據(jù)段都在物理內(nèi)存上有一份映射，現(xiàn)在我調(diào)用了execl接口，execl會將我在物理內(nèi)存上的數(shù)據(jù)和代碼用一個新的程序的數(shù)據(jù)和代碼來替換！然后我（當(dāng)前進程）開始重新運行這段新程序！并且我(當(dāng)前進程)的退出碼由這個新程序的main函數(shù)返回值來確定！在整個程序替換期間，我(當(dāng)前進程)并沒由被銷毀，我依舊存在！在完成程序替換過后，依舊是我(當(dāng)前進程)來運行這段新程序！并不會創(chuàng)建一個新的進程來運行新的代碼！
站在新程序的角度來看待程序替換：
我是一個程序，我安安靜靜的躺在磁盤看“電視”，突然某一天我被execl加載進內(nèi)存，讓后某個進程就要求我?guī)退k件事；那么我（新程序）被加載進內(nèi)存這個動作是由誰完成的？ execl！！！
execl就充當(dāng)著這個加載器的角色！
既然我自己寫的程序都能加載新的程序，那么OS？
當(dāng)我們想要運行某段程序的時候，OS會首先為我們的程序建立pcb、進程地址空間、頁表等內(nèi)核數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，也就是說這時候進程已經(jīng)創(chuàng)建好了，然后在讓當(dāng)前進程調(diào)用execl()接口將我們的程序加載進內(nèi)存，然后再開始運行我們程序！而我們的程序是從main函數(shù)開始的，但是我們的進程是先調(diào)用的execl過后我們的程序才開始運行起來的，那么換而言之在execl內(nèi)部，幫助我們完成程序替換過后，execl會調(diào)用該程序的main函數(shù)，然后讓該程序成功運行起來！

多進程版本的程序替換

上面我們講解了單進程版本的程序替換和程序替換的原理，接下來我們來嘗試一下多進程版本的程序替換：
也就是說我們讓我們的子進程去執(zhí)行一段與父進程完全不一樣的代碼：
測試代碼：


當(dāng)然，我們也可以讓子進程去運行我們自己寫的程序，無論我們的程序是用什么語言寫的！
比如，現(xiàn)在我用C語言寫一個程序，去運行一個C++寫的程序：
測試：
被子進程運行的程序:

主程序:

運行結(jié)果：

接下來我們來講解一下多進程進行程序替換的原理：
首先我們的父進程，也就是mytest利用fork函數(shù)創(chuàng)建了一個子進程對吧！
那么剛開使的時候，子進程會繼承父進程的大多數(shù)信息，包括子進程會共享著父進程的代碼和數(shù)據(jù)，通過前面的學(xué)習(xí)我們知道，當(dāng)我們的子進程想要修改與父進程共享的數(shù)據(jù)時，會發(fā)生寫時拷貝！在物理內(nèi)存中重新找一塊新空間，讓后將將需要修改的數(shù)據(jù)拷貝到新空間中去，然后修改子進程頁表映射到該物理內(nèi)存的映射關(guān)系，然后再讓子進程去修改數(shù)據(jù)！以此達到進程之間的相互獨立！
那么現(xiàn)在也是這樣：剛開始的時候父子進程都共享著同一塊物理內(nèi)存的數(shù)據(jù)和代碼：

當(dāng)我們的子進程調(diào)用execl函數(shù)進行程序替換時，是會用程序的代碼和數(shù)據(jù)來替換子進程原來數(shù)據(jù)段和代碼段存的信息的！如果我們直接在“數(shù)據(jù)”和“代碼”這塊空間進行替換的話，我們就會將父進程的代碼和數(shù)據(jù)也替換掉！從而影響到了進程的獨立性！我們現(xiàn)在的目的是不想影想父進程，而讓子進程執(zhí)行一段全新的代碼，為此os也會也會觸發(fā)寫時拷貝，當(dāng)我們的子進程嘗試修改代碼段和數(shù)據(jù)段的信息時，os也會去重新找一物理內(nèi)存中重新找一塊空間來存儲子進程的代碼和數(shù)據(jù)，同時修改子進程代碼段和數(shù)據(jù)段映射關(guān)系！
重新理解Shell運行原理
明白了上面的過程我們就能更好的理解Shell的運行原理了，首先shell從命令行接受到我們的命令后會創(chuàng)建一個子進程來執(zhí)行我們的命令，然后在讓該子進程調(diào)用execl函數(shù)來進程程序替換，替換掉子進程從Shell哪里繼承下來的代碼和數(shù)據(jù)！然后讓子進程開始運行這段程序！

execl函數(shù)組

下面我們來正式介紹一下execl函數(shù)組：
int execl(const char *path, const char *arg, …)
參數(shù)： path//用于指定我們執(zhí)行的命令在哪里
arg： 可變參數(shù)，可以傳任意個參數(shù)，該參數(shù)的作用主要是告訴execl()你想怎樣執(zhí)行這段程序，你在命令行是怎么寫的，在arg參數(shù)就怎么寫，注意分割；比如：我們需要讓execl按照ls -a -l的格式執(zhí)行l(wèi)s命令，那么我們喂給execl的參數(shù)就是(從第二個參數(shù)起)：“l(fā)s”、“-a”、“-l”，NULL；一個選項一個字符串，注意當(dāng)我們確定完程序運行的格式過后，必須以再傳遞一個NULL結(jié)尾！表示我們已經(jīng)傳遞完當(dāng)前程序的執(zhí)行的格式；
比如：

返回值：該函數(shù)只會返回-1；由于execl是進行程序替換，當(dāng)execl完成程序替換那一刻開始，execl后續(xù)的代碼都被替換成了新程序的代碼和數(shù)據(jù)，根本就運行不到后續(xù)的代碼和數(shù)據(jù)，因此也就無法返回程序替換成功的返回值；當(dāng)我們的程序替換失敗的時候，我們進程的老數(shù)據(jù)和代碼并沒由被替換掉，當(dāng)前進程依舊按照順序執(zhí)行剩下的代碼，同時才能向上面返回-1來表示程序替換失敗！
也就是說，execl程序替換成功是沒有返回值的！如果execl有返回值那么說明程序替換失敗，當(dāng)前進程就會執(zhí)行execl后續(xù)的代碼！
int execv(const char *path, char *const argv[]);
我們可以發(fā)現(xiàn)execv接口與execl接口十分相似，但是在參數(shù)上卻并不是一樣的！
execl的參數(shù)可以是任意個，而execv的參數(shù)只有2個；
同時execv的功能與execl的功能一樣，只是在使用上有點區(qū)別！
我們可以看一看exec+l就表示execl，這個l（list）就代表著列表的意思！表示execl的程序運行格式以列表的形式傳遞！
exec+v表示execv，這個v（vector）表示數(shù)組的意思，就表示程序運行的格式以數(shù)組的形式傳遞；
具體演示：

程序運行結(jié)果：

程序依舊正常運行；
有了前面的理解后面我們在認識其他exec函數(shù)就輕松了：
int execlp(const char *file, const char *arg, …);
exec+l+p：l表示以列表的形式傳遞程序如何運行這個程序！
p:表示path，表示我們只需告訴execlp我們要運行的程序的名稱也就是傳遞file參數(shù)，execlp會自動去PATH環(huán)境變量下搜索！
具體演示：

程序運行結(jié)果：

int execle(const char *path, const char *arg, …,char *const envp[]);
l：如何運行程序的參數(shù)以列表的形式傳遞；
e：env表示自己維護環(huán)境變量
比如：我們可以將當(dāng)前進程的環(huán)境變量表傳遞給我們的新程序！
我們的新程序就可以使用這張環(huán)境變量表：
子進程去替換的程序：

主程序：

程序運行結(jié)果：

我們也可以向環(huán)境變量里面加一點東西進去：
這里我們就需要使用putenv()這個函數(shù)了，putenv（）功能是向環(huán)境變量表中導(dǎo)入一個環(huán)境變量！


講解到這里，其他的execl函數(shù)也就依此類推了；

只不過我們需要注意一下，在exec函數(shù)組中
只有int execve(const char *filename, char *const argv[])是真正的系統(tǒng)調(diào)用！
其他的exec函數(shù)是基于該系統(tǒng)調(diào)用進行的封裝！

簡易版Shell

#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<sys/wait.h>
#include<sys/types.h>
#include<unistd.h>
#include<string.h>
#include<stdbool.h>#define COMMOD_NUM 256
#define ARGV_NUM 64bool Strtok(char*commod,char**argv)
{//先跳過空格size_t i=0;size_t len=strlen(commod);size_t k=0;while(i<len&&commod[i]==' ')i++;if(i>=len)return false;size_t begin=i;size_t end=begin;while(begin<len){while(commod[end]!=' '&&commod[end]!='\0')end++;commod[end]='\0';argv[k++]=commod+begin;begin=end+1;end=begin;   }argv[k]=NULL;return true;
}
extern char**environ;
int main()
{while(1)
{printf("[cxk@VM-12-16-centos myshell]$ ");
char commod[COMMOD_NUM]={0};//用于接受從命令行輸入的命令
char*argv[ARGV_NUM]={NULL};//用于存儲將commod切割成一個一個字符串的指針
fgets(commod,COMMOD_NUM,stdin);
commod[strlen(commod)-1]='\0';//分割字符串if(Strtok(commod,argv)==false)continue;
//創(chuàng)建子進程
pid_t id=fork();
if(id==0)
{
int n= execvp(argv[0],argv);
if(n==-1)
{printf("-bash: %s: command not found\n",argv[0]);exit(1);
}
}
//父進程
waitpid(-1,NULL,0);
}return 0;
}