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1>:进程创建
在前几篇文章中,我们已经简单的使用过fork函数了,但实际上还是并不知道其原理,我们学习要努力做到知其然、知其所以然、知其所以必然。
那么接下来就详细了解一下fork吧。
fork函数初识
在Linux中,fork函数是非常重要的函数,它从已存在进程中创建一个新进程。新进程为子进程,而原进程为父进程。
include
pid_t fork(void);
返回值:子进程返回0,父进程返回子进程id,出错返回-1
进程调用fork,当控制转移到内核中的fork代码后,内核做:
分配新的内存块和内核数据结构给子进程。
将父进程部分数据结构内容拷贝至子进程。
添加子进程到系统进程列表当中。
fork返回,开始调度器调度。
fork之后,父子进程代码共享。例如:
运行结果如下:
可以看到输出一共有三行,分别是一行Before,两个After。其中,Before是由父进程打印的,而调用fork函数之后打印的两个After,则分别由父进程和子进程两个进程执行。也就是说,fork之前父进程独立执行,而fork之后父子两个执行流分别执行。 关于fork之后是先让子进程执行还是父进程执行,这并没有明确规定。这完全由调度器决定。
注意:在实际上子进程的代码因为与父进程共享,所以子进程的代码中还是有Before的,只是没有执行。
fork函数返回值
在日常生活中,一个父亲可以有多个孩子,但是一个孩子一般只是有一个父亲的。操作系统毕竟是人设计的,那么他也应该符合我们的日常生活中的原则。所以一个父进程可以创建多个子进程,而一个子进程只能有一个父进程。因此,对于子进程来说,父进程是不需要被标识的;而对于父进程来说,子进程是需要被标识的,因为父进程创建子进程的目的是让其执行任务的,父进程只有知道了子进程的PID才能很好的对该子进程指派任务。
这时候就会有一个小疑问,一个父进程创建多个子进程,那怎么保存子进程的id呢?这也很好解决,多定义几个id不行啦,比如id1,id2,id3......
父进程调用fork函数后,为了创建子进程,fork函数内部将会进行一系列操作,包括创建子进程的进程控制块、创建子进程的进程地址空间、创建子进程对应的页表等等。子进程创建完毕后,操作系统还需要将子进程的进程控制块添加到系统进程列表当中,此时子进程便创建完毕了。
其实就是在 OS:将子进程的task_struct链接进入系统的进程列表中,这一步执行后,操作系统就会对应执行子进程。
所以就要纠正一个我们下意识认为的错误。
子进程是否在 fork() 内完成执行?
不是的。 fork() 仅仅是创建了一个新的进程(包括 PCB 和资源的复制),但它并不意味着子进程在 fork() 调用返回之前就已经完全执行完毕。
fork() 的主要作用是让内核设置好子进程的运行环境,并将其状态设置为 就绪态(Ready State)。随后,调度器(Scheduler)决定何时调度子进程进行实际的执行。
在子进程的 PCB 中,fork() 的返回值被设置为 0。
在父进程的 PCB 中,fork() 的返回值被设置为 子进程的 PID。
子进程的 寄存器状态 和 程序计数器 (PC) 都是从父进程复制过来的。
程序计数器 (PC),也就是指令指针,会指向调用 fork() 后的下一条指令。
这意味着:
父进程 继续执行 fork() 后的代码。
子进程 从同样的程序计数器位置开始执行,就像 fork() 调用 "返回" 了一样。
但不同的是,内核人为地设置了子进程中 fork() 返回值为 0。
父进程:在 fork() 调用时,内核给父进程的书签做了一个副本。
子进程:获得这个书签,继续从同一个位置开始阅读。
唯一区别是:子进程的书签上有一个小备注:“我是子进程,返回值是 0。”
fork() {
创建子进程 PCB;
复制父进程的地址空间 (写时复制);
在子进程的 PCB 中设置 fork() 返回值为 0;
在父进程的 PCB 中设置 fork() 返回值为 子进程 PID;
调度父进程或子进程继续运行;
}
在用户程序看来,fork() 调用返回后,父进程和子进程都会从 同一个位置继续执行,看起来像是两次调用了 fork()。
但实际上:
内核中的 fork() 内部逻辑只执行了一次。
返回到用户态时,父进程和子进程拥有独立的寄存器和堆栈副本,程序计数器指向同一个位置。
是不是很神奇?
所以也就是说,在fork函数内部执行return语句之前,子进程就已经创建完毕了,那么之后的return语句不仅父进程需要执行,子进程也同样需要执行,这就是fork函数有两个返回值的原因。
但是在实际的情况下在 fork() 调用时,fork() 的内部逻辑在内核中只执行了一次。
写时拷贝
当子进程刚刚被创建时,子进程和父进程的数据和代码是共享的,即父子进程的代码和数据通过页表映射到物理内存的同一块空间。只有当父进程或子进程需要修改数据时,才将父进程的数据在内存当中拷贝一份,然后再进行修改。
这种在需要进行数据修改时再进行拷贝的技术,称为写时拷贝技术。
进程具有独立性。多进程运行,需要独享各种资源,多进程运行期间互不干扰,不能让子进程的修改影响到父进程。
子进程不一定会使用父进程的所有数据,并且在子进程不对数据进行写入的情况下,没有必要对数据进行拷贝,我们应该按需分配,在需要修改数据的时候再分配(延时分配),这样可以高效的使用内存空间。
90%的情况下是不会的,但这并不代表代码不能进行写时拷贝,例如在进行进程替换的时候,则需要进行代码的写时拷贝。
fork常规用法
一个进程希望复制自己,使子进程同时执行不同的代码段。例如父进程等待客户端请求,生成子进程来处理请求。
一个进程要执行一个不同的程序。例如子进程从fork返回后,调用exec函数。
fork调用失败的原因
fork函数创建子进程也可能会失败,有以下两种情况:
系统中有太多的进程,内存空间不足,子进程创建失败。
实际用户的进程数超过了限制,子进程创建失败。
2>:进程终止
进程退出场景
进程退出只有三种情况:
代码运行完毕,结果正确。
代码运行完毕,结果不正确。
代码异常终止(进程崩溃)。
注意:对于情况二,是在编译没有问题的情况下,并且代码可以跑。但是结果不对。对于这种情况下,是父进程最为关心的,其主要为父进程查看子进程的退出码,来解决其原因。
进程退出码
早在前几篇文章中也不止一次提及到了我们c语言中main函数,在我们写c语言代码的时候main函数一般都是作为函数的入口来执行的。前几篇文章也说了其实main函数并不是最外层的c语言函数怒,实际上main函数只是用户级别代码的入口,main函数也是被其他函数调用的,例如在VS2013当中main函数就是被一个名为tmainCRTStartup的函数所调用,而tmainCRTStartup函数又是通过加载器被操作系统所调用的,也就是说main函数是间接性被操作系统所调用的。
既然main函数是间接性被操作系统所调用的,那么当main函数调用结束后就应该给操作系统返回相应的退出信息,而这个所谓的退出信息就是以退出码的形式作为main函数的返回值返回。
我们一般以0表示代码成功执行完毕,以非0表示代码执行过程中出现错误,这就是为什么我们都在main函数的最后返回0的原因。
当我们的代码运行起来就变成了进程,当进程结束后main函数的返回值实际上就是该进程的进程退出码。当然也不仅仅是main函数这样,任何一个进程(函数也是有返回值的,但是在这里是以进程角度来说明的)他都是存在返回值的。我们可以使用echo $?命令查看最近一次进程退出的退出码信息。
例如,对于我们刚才的代码,运行完后,就可以用echo查看其进程的返回值。
echo $?
查看该进程的进程退出码。
这时便可以确定main函数是顺利执行完毕了,并且其返回值为0,其运行没有错误。
这个是因为c语言的创始人就是这样设计的,你要是设计者,你也可以设计成-1为正确,正数为错误。这是我们从感性的角度思考。
当然设计者肯定是通过理性思考,考虑了很多,才这样决定这样设计的:
代码执行成功只有一种情况,成功了就是成功了,而代码执行错误却有多种原因,例如内存空间不足、非法访问以及栈溢出等等,我们就可以用这些非0的数字分别表示代码执行错误的原因。
查看错误信息
C语言当中的strerror函数可以通过错误码,获取该错误码在C语言当中对应的错误信息:
代码如下:
include
include
int main()
{
int i;
for(i=0;i<150;i++)
{
printf("[%d]:%s\n",i,strerror(i));
}
return 0;
}
运行效果如下:
补充:
我们在Linux下中经常使用的一些指令,比如ls,pwd等一些可执行程序,这些都是进程,那么作为进程他都也是存在退出码的。比如我们正常使用ls,就可以看到其退出码为0。
我们故意错误执行命令,执行错误后,其退出码就是非0的数字,该数字具体代表某一错误信息。
注意: 退出码都有对应的字符串含义,帮助用户确认执行失败的原因,而这些退出码具体代表什么含义是人为规定的,不同环境下相同的退出码的字符串含义可能不同。
进程正常退出
这里给出三个进程正常退出的情况
exit函数
_exit函数
return退出
在main函数中使用return退出进程是我们常用的方法。
这个对我们已经很清楚了,这里就不举例了。
exit函数
使用exit函数退出进程也是我们常用的方法,exit函数可以在代码中的任何地方退出进程,并且exit函数在退出进程前会做一系列工作:
执行用户通过atexit或on_exit定义的清理函数。
关闭所有打开的流,所有的缓存数据均被写入。
调用_exit函数终止进程。
例如,以下代码中exit终止进程前会将缓冲区当中的数据输出。
首先了解exit的情况下,先那两个代码回亿缓冲区的认知,对于下面的两个代码,其实展示的效果会大大不同
一个是带\n了,一个是没有带\n。
按照我们对缓冲区的认识,对于代码一,实现打印出来hello world,后进行sleep。
但是对于代码二,实现进行sleep,后进行打印hello world。
这就是因为\n会刷新缓冲区的原因。
那么对于下面的代码
我们在printf后面没有带\n。但在下一行调用了exit函数。
那么他就会会导致在调用exit后,显示器就会显示打印出来的hello world。
运行结果:
虽然无法证明在调用exit后,显示器就会显示打印出来的hello world。
但实际上确实证明了exit会刷新缓冲区
_exit:
include
void _exit(int status);
// 参数:status定义了进程的终止状态,父进程通过wait获得其该值
特殊说明:虽然status为int类型,但是其仅有低8位可以被父进程所用。所以_exit(-1)时,在终端执行$?发现返回值是255
exit
include
void exit(int status);
_exit函数
使用_exit函数退出进程的方法我们并不经常使用,_exit函数也可以在代码中的任何地方退出进程,但是_exit函数会直接终止进程,并不会在退出进程前会做任何收尾工作。
例如,我们对刚才的代码修改,使用_exit终止进程,则缓冲区当中的数据将不会被输出。
运行结果:
没有任何的打印
这也就说明了缓冲区的数据没有被刷新。
return、exit和_exit之间的区别与联系
只有在main函数当中的return才能起到退出进程的作用,子函数当中return不能退出进程,而exit函数和_exit函数在代码中的任何地方使用都可以起到退出进程的作用。
使用exit函数退出进程前,exit函数会执行用户定义的清理函数、冲刷缓冲,关闭流等操作,然后再终止进程,而_exit函数会直接终止进程,不会做任何收尾工作。
return、exit和_exit之间的联系
在 main 函数中执行 return num 等同于调用 exit(num)。这是因为当 main 函数执行完毕后,其返回值会被传递给 exit,并作为进程的退出状态码用于终止程序。
使用exit函数退出进程前,exit函数会先执行用户定义的清理函数、冲刷缓冲,关闭流等操作,然后再调用_exit函数终止进程。
进程异常退出
情况一:向进程发生信号导致进程异常退出。
例如,在进程运行过程中向进程发生kill -9信号使得进程异常退出,或是使用Ctrl+C使得进程异常退出等。
情况二:代码错误导致进程运行时异常退出。
例如,代码当中存在野指针问题使得进程运行时异常退出,或是出现除0的情况使得进程运行时异常退出等。
3>:进程等待
什么是进程等待
进程等待是系统通过调用特定的接口(如 wait / waitpid)来实现的。来进行对子进程状态检测与回收的功能。
进程等待的必要性
子进程退出,父进程如果不读取子进程的退出信息,子进程就会变成僵尸进程,进而造成内存泄漏。
进程一旦变成僵尸进程,那么就算是kill -9命令也无法将其杀死,因为谁也无法杀死一个已经死去的进程。(这一部分也就对应了我们的僵尸进程那部分内容,用进程等待杀死僵尸进程,解决内存泄漏的问题)
对于一个进程来说,最关心自己的就是其父进程,因为父进程需要知道自己派给子进程的任务完成的如何。
父进程需要通过进程等待的方式,回收子进程资源,获取子进程的退出信息。
所以进程等待是非常重要的,它可以避免僵尸进程的危害。
进程等待的方法
wait方法
头文件:
include
include
函数原型:pid_t wait(int* status);
作用:等待任意子进程。
返回值:等待成功返回被等待进程的pid,等待失败返回-1。
参数:输出型参数,获取子进程的退出状态,不关心可设置为NULL。
例如,创建子进程后,父进程可使用wait函数一直等待子进程,直到子进程退出后读取子进程的退出信息。
include
include
include
include
include
int main() {
pid_t pid = fork(); // 创建子进程
if (pid < 0)
{
// fork 失败
perror("fork failed");
exit(EXIT_FAILURE);
}
if (pid == 0)
{
// 子进程逻辑
int count = 10;
while (count--)
{
printf("Child Process: PID = %d, PPID = %d\n", getpid(), getppid());
sleep(1);
}
printf("Child Process (PID = %d) exiting...\n", getpid());
exit(EXIT_SUCCESS);
}
// 父进程逻辑
int status = 0;
pid_t ret = wait(&status); // 等待子进程结束
if (ret > 0)
{
printf("Parent Process: Successfully waited for Child (PID = %d)\n", ret);
if (WIFEXITED(status))
{
// 子进程正常退出
printf("Child exited with code: %d\n", WEXITSTATUS(status));
}
else if (WIFSIGNALED(status))
{
// 子进程被信号终止
printf("Child terminated by signal: %d\n", WTERMSIG(status));
}
}
else
{
// 等待失败
perror("wait failed");
}
printf("Parent Process (PID = %d) exiting...\n", getpid());
return EXIT_SUCCESS;
AI 代码解读
}
我们可以使用以下监控脚本对进程进行实时监控:
while :; do ps axj | head -1 && ps axj | grep wait | grep -v grep;echo "######################";sleep 1;done
这时我们可以看到,当子进程退出后,父进程读取了子进程的退出信息,子进程也就不会变成僵尸进程了。
也可以看到,即使子进程退出,父进程也没有变为僵尸进程。
waitpid方法
pid_ t waitpid(pid_t pid, int *status, int options);
// status为输出型参数,其存的是子进程的退出信息。
// options为设置等待方式(等待方式分为阻塞方式(0),和非阻塞轮询(WNOHANG))
返回值:
当正常返回的时候waitpid返回收集到的子进程的进程ID;
如果设置了选项WNOHANG,而调用中waitpid发现没有已退出的子进程可收集,则返回0;
如果调用中出错,则返回-1,这时errno会被设置成相应的值以指示错误所在;
参数:
pid:
Pid=-1,等待任一个子进程。与wait等效。
Pid>0.等待其进程ID与pid相等的子进程。
status:
WIFEXITED(status): 若为正常终止子进程返回的状态,则为真。(查看进程是否是正常退出)
WEXITSTATUS(status): 若WIFEXITED非零,提取子进程退出码。(查看进程的退出码)
options:
WNOHANG: 若pid指定的子进程没有结束,则waitpid()函数返回0,不予以等待。若正常结束,则返回该子进
程的ID。
例如,创建子进程后,父进程可使用waitpid函数一直等待子进程(此时将waitpid的第三个参数设置为0),直到子进程退出后读取子进程的退出信息。
include
include
include
include
include
int main() {
pid_t pid = fork(); // 创建子进程
if (pid < 0)
{
// fork 失败
perror("fork failed");
exit(EXIT_FAILURE);
}
if (pid == 0)
{
// 子进程逻辑
int count = 10;
while (count--)
{
printf("Child Process: PID = %d, PPID = %d\n", getpid(), getppid());
sleep(1);
}
printf("Child Process (PID = %d) exiting...\n", getpid());
exit(EXIT_SUCCESS);
}
// 父进程逻辑
int status = 0;
pid_t ret = waitpid(pid, &status, 0); // 使用 waitpid 等待特定子进程
if (ret > 0)
{
printf("Parent Process: Successfully waited for Child (PID = %d)\n", ret);
if (WIFEXITED(status))
{
// 子进程正常退出
printf("Child exited with code: %d\n", WEXITSTATUS(status));
}
else if (WIFSIGNALED(status))
{
// 子进程被信号终止
printf("Child terminated by signal: %d\n", WTERMSIG(status));
}
else
{
// 其他异常情况
printf("Child exited abnormally.\n");
}
}
else
{
// waitpid 失败
perror("waitpid failed");
}
sleep(3); // 保证父进程不会立即退出,便于观察
printf("Parent Process (PID = %d) exiting...\n", getpid());
return EXIT_SUCCESS;
AI 代码解读
}
同样我们使用以下监控脚本对进程进行实时监控:
在父进程运行过程中,我们子进程退出,父进程也是可以等待接收子进程的退出码。
同样我们也可以通过kill指令杀死子进程,这样父进程同样可以接收到子进程的退出码
只不过被信号杀死而退出的进程,其退出码将没有意义。
获取子进程status
下面进程等待所使用的两个函数wait和waitpid,都有一个status参数,该参数是一个输出型参数,由操作系统进行填充。
如果对status参数传入NULL,表示不关心子进程的退出状态信息。
否则,操作系统会通过该参数,将子进程的退出信息反馈给父进程。
status是一个整型变量,但status不能简单的当作整型来看待,status的不同比特位所代表的信息不同,具体细节如下(只研究status低16比特位):
在status的低16比特位当中,高8位表示进程的退出状态,即退出码。进程若是被信号所杀,则低7位表示终止信号,而第8位比特位是core dump标志。
我们通过一系列位操作,就可以根据status得到进程的退出码和退出信号。
exitCode = (status >> 8) & 0xFF; //退出码
exitSignal = status & 0x7F; //退出信号
对于此,系统当中提供了两个宏来获取退出码和退出信号。
WIFEXITED(status):用于查看进程是否是正常退出,本质是检查是否收到信号。
WEXITSTATUS(status):用于获取进程的退出码。
exitNormal = WIFEXITED(status); //是否正常退出
exitCode = WEXITSTATUS(status); //获取退出码
需要注意的是,当一个进程非正常退出时,说明该进程是被信号所杀,那么该进程的退出码也就没有意义了。
阻塞等待方式与非阻塞等待方式
阻塞等待和非阻塞等待是计算机系统中处理任务时的两种基本方式,常用于操作系统、网络编程和多线程编程中。
阻塞等待是指调用一个操作后,当前线程或进程会暂停执行,直到等待的事件完成或条件满足后才继续执行。
非阻塞等待是指调用操作后,无论事件是否完成,当前线程都会立即返回,并可以继续执行后续代码。
通过概念来看可能有些不理解,那么下面我就拿一个生活中鲜明的案例,为大家加深一下记忆。
现在你的身份是小明,你作为大学生,平时上课不怎么听,就上课人去,但是到教室就开始刷抖音。然后你认识一个学习特别好,平时学习还很认真的朋友他叫小红。
今日是周5,现在已经是期末周了,要开始考试了,你们专业安排周6考C语言,但是一点没有学,你就想向小红帮你辅导辅导。然后你就去小红的宿舍楼下,去给小红打电话请求她帮你辅导功课。
然后小红就说好啊,但是我要先看完我自己写的笔记,先让我复习完以后,我再跟你去图书馆,帮你复习。你就说好啊。然后就挂断电话了。然后你就等了十分钟,再次期间你什么也没干。就在宿舍楼下干干的等着。然后你就有点心急了,就又给小红打电话说,好了没有啊。小红说还有十分钟,然后就挂断了电话。过了十分钟,小红又没下来,你又打电话。小红说马上,正在下楼了。你就挂断了电话,等了没几分钟,小红下楼了,然后跟你一起去图书馆,然后帮你复习。复习了一天周六你去考试信心满满,及格了。
到了周日,你的舍友告诉你,周一要考数据结构。你一听又是毫无准备,只好再次求助小红。
你走到小红的宿舍楼下,拿出手机打电话给她:“小红,我明天要考数据结构了,你能不能再帮帮我?”
小红在电话那头说:“好啊,但是我现在还没复习完自己的笔记,你先去图书馆找个位子占着吧,等我复习完了,我去找你。”
这次,你就想,上一次等小红打了20多个电话,把我话费都给打没了,这次你就给小红说:“小红啊,这次电话就别挂了,你什么时候下楼,见到我,再把电话挂了。”小红就说行。
然后你们俩就一直挂着电话,你听着小红的复习声音。你一直在检测小红的复习状态,没有干别的事。
然后又过了几天,你的舍友说,明天就要考操作系统了,你一听又是毫无准备,只好再次求助小红。
但是这次你学聪明了,你就像一直挂着电话,自己什么也干不了,而且操作系统内容那么多,光靠小红可能自己要挂科,你就拿着操作系统的书,拿着手机走到小红的宿舍楼下,拿出手机打电话给她:“小红,我明天要考操作系统了,你能不能再帮帮我?”
小红在电话那头说:“好啊,但是我现在还没复习完自己的笔记,等我复习完了,我去找你。”
这次,你不想像上次那样干等着浪费时间,于是挂了电话后,你决定边等小红边做点别的事情。你就翻开书,复习了起来。
过了一会儿,你发现看不明白,你就又给小红打电话了,小红依旧是说还差一会。
你就又挂断了电话,但这次你没有看书,而是拿起了手机刷起了视频,然后刷了一会发现时间不多了,不学就完了。你就发现你学也学不明白,玩也玩不明白。然后又打电话,小红说,马上,五分钟,正在下楼了,然后你就又跟别人聊了聊天,然后等到了小红下来。
果然,小红说到做到,五分钟后就出现在你面前,带着她整理好的笔记。你们一起复习了一整天。
我们的进程等待函数waitpid默认情况下就是阻塞等待,如果将第三个参数设置为 WNOHANG ,那么就是非阻塞轮询等待。
非阻塞轮询代码展示:
include
include
include
include
include
int main()
{
pid_t id = fork();
if(id < 0) {
perror("fork");
return 1;
}
else if(id == 0)
{
// child
int cnt = 5;
while(cnt)
{
printf("I am child, pid:%d, ppid:%d, cnt: %d\n", getpid(), getppid(), cnt);
cnt--;
sleep(1);
//*p = 100;
}
exit(11);
}
else
{
int status = 0;
while(1){ //轮询
pid_t ret = waitpid(id, &status, WNOHANG); //非阻塞
if(ret > 0)
{
if(WIFEXITED(status))
{
printf("进程是正常跑完的, 退出码:%d\n", WEXITSTATUS(status));
}
else{
printf("进程出异常了\n");
}
break;
}
else if(ret < 0)
{
printf("wait failed!\n");
break;
}
else
{
// 发现没有已退出的子进程可收集
}
}
}
return 0;
AI 代码解读
}
4>:进程程序替换
替换原理
用fork创建子进程后,子进程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),若想让子进程执行另一个程序,往往需要调用一种exec函数。
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。
注意:exec成功后,后续的代码不执行,失败才可能执行后续的代码,只有失败有返回值,成功没有。
进程程序替换之后,该进程对应的PCB、进程地址空间以及页表等数据结构都没有发生改变,只是进程在物理内存当中的数据和代码发生了改变,所以并没有创建新的进程,而且进程程序替换前后该进程的pid并没有改变。
子进程刚被创建时,与父进程共享代码和数据,但当子进程需要进行进程程序替换时,也就意味着子进程需要对其数据和代码进行写入操作,这时便需要将父子进程共享的代码和数据进行写时拷贝,此后父子进程的代码和数据也就分离了,因此子进程进行程序替换后不会影响父进程的代码和数据。这也就是我们在最一开始fork出来的子进程90%的情况下是不会进行写时拷贝的情况。
替换函数
其实有六种以exec开头的函数,统称exec函数:
include
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[]);
说明:
path:要执行的程序的路径。
arg:命令行参数,必须以 NULL 结尾。
参数必须逐个传递,每个参数是一个独立的字符串。
例如,要执行的是ls程序。
include
include
int main() {
execl("/bin/ls", "ls", "-l", "/tmp", NULL);
perror("execl failed");
return 1;
}
🔹 说明:
/bin/ls:ls 命令的完整路径。
"ls":第一个参数通常是程序名称。
"-l":传递给 ls 的选项。
"/tmp":指定要列出的目录。
NULL:参数列表必须以 NULL 结束。
说明:
和 execl 类似,但 execlp 不需要提供完整路径。
它会在 PATH 环境变量指定的目录中搜索可执行文件。
例如,要执行的是ls程序。
include
include
int main() {
execlp("ls", "ls", "-a", NULL);
perror("execlp failed");
return 1;
}
🔹 说明:
不需要指定 ls 的完整路径。
"-a":显示所有文件,包括隐藏文件。
说明:
和 execl 类似,但可以显式传递环境变量。
参数列表后需要以 NULL 结束,然后再传递一个环境变量数组 envp。
例如,要执行的是ls程序。
include
include
int main() {
char *envp[] = {"PATH=/bin:/usr/bin", NULL};
execle("/bin/ls", "ls", "-l", NULL, envp);
perror("execle failed");
return 1;
}
🔹 说明:
显式设置环境变量 PATH,确保可以找到 ls。
NULL 结束参数列表和环境变量列表。
说明:
参数以数组形式传递。
数组的最后一个元素必须是 NULL。
例如,要执行的是ls程序。
include
include
int main() {
char *args[] = {"ls", "-l", "/home", NULL};
execv("/bin/ls", args);
perror("execv failed");
return 1;
}
🔹 说明:
参数通过数组传递。
NULL 作为数组的最后一个元素。
说明:
和 execv 类似,但 execvp 会使用环境变量 PATH 搜索可执行文件。
不需要提供完整路径。
例如,要执行的是ls程序。
include
include
int main() {
char *args[] = {"ls", "-al", "/etc", NULL};
execvp("ls", args);
perror("execvp failed");
return 1;
}
🔹 说明:
不需要指定完整路径。
参数通过数组传递,最后一个元素为 NULL。
参数说明
pathname:要执行的程序的完整路径。
argv[]:传递给程序的参数数组,最后一个元素必须是 NULL。
envp[]:传递给程序的环境变量数组,最后一个元素也必须是 NULL。
返回值
成功:不会返回,当前进程映像被新程序替换。
失败:返回 -1,并设置 errno 指明错误原因。
execve 与其他 exec 函数的区别
execve 是所有 exec 系列函数的底层实现。
其他 exec 函数(如 execl、execlp 等)都是对 execve 的封装。
灵活性更强:可以显式地指定环境变量。
需要提供完整路径,不会通过 PATH 搜索路径。
include
include
include
int main() {
// 定义参数数组
char *args[] = {"ls", "-l", "/usr", NULL};
// 定义环境变量数组
char *envp[] = {"PATH=/bin:/usr/bin", "TERM=xterm-256color", NULL};
// 执行 ls 命令
execve("/bin/ls", args, envp);
// 如果 execve 失败
perror("execve failed");
return 1;
AI 代码解读
}
/bin/ls:指定 ls 命令的完整路径。
args[]:
"ls":程序名。
"-l":选项,显示详细信息。
"/usr":目标目录。
envp[]:
PATH:指定可执行文件的搜索路径。
TERM:设置终端类型。
如果 execve 执行失败,会打印错误信息。
注意事项
不会返回:成功调用 execve 后,当前进程映像被新程序替换。
路径必须是完整路径:execve 不会使用 PATH 环境变量来查找可执行文件。
环境变量显式传递:不同于其他 exec 函数,execve 允许显式传递自定义的环境变量。
exec 系列函数比较
注意:
execve 是底层接口,适合需要显式设置环境变量和完整路径的场景。也就是说只有execve才是真正的系统调用,其它五个函数最终都是调用的execve,所以execve在man手册的第2节,而其它五个函数在man手册的第3节,也就是说其他五个函数实际上是对系统调用execve进行了封装,以满足不同用户的不同调用场景的。
一般情况下,使用 execlp 或 execvp 更为方便。
下图为exec系列函数族之间的关系:
命名理解
这六个exec系列函数的函数名都以exec开头,其后缀的含义如下:
l(list):表示参数采用列表的形式,一一列出。
v(vector):表示参数采用数组的形式。
p(path):表示能自动搜索环境变量PATH,进行程序查找。
e(env):表示可以传入自己设置的环境变量。
做一个简易的shell
shell也就是命令行解释器,其运行原理就是:当有命令需要执行时,shell创建子进程,让子进程执行命令,而shell只需等待子进程退出即可。
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。
所以对于shell需要执行的逻辑还是非常清楚的,其只需循环执行以下步骤:
获取命令行。
解析命令行。
创建子进程。
替换子进程。
等待子进程退出。
其中,创建子进程使用fork函数,替换子进程使用exec系列函数,等待子进程使用wait或者waitpid函数。
于是我们可以很容易实现一个简易的shell,代码如下:
include
include
include
include
include
include
include
include
define LEFT "["
define RIGHT "]"
define LABLE "$"
define DELIM " \t"
define ARGC_SIZE 32
define LINE_SIZE 1024
define EXIT_CODE 44
int lastcode = 0;
int quit = 0;
char commandline[LINE_SIZE];
char _argv[ARGC_SIZE];
char pwd[LINE_SIZE];
extern char *environ;
const char *_getusername()
{
return getenv("USER");
}
const char *_gethostname()
{
return getenv("HOSTNAME");
}
void _getpwd()
{
getcwd(pwd,sizeof(pwd));
}
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';
}
// ls -a -l
int splitstring(char cline[], char *_argv[])
{
int i=0;
_argv[i++]=strtok(cline,DELIM);
while(_argv[i++]=strtok(NULL,DELIM));
return i-1;
}
void NormalExcute(char *argv[])
{
pid_t id=fork();
if(id<0)
{
perror("fork failed");
return;
}
else if(id==0)
{
// 子进程使用进程替换执行命令
// execvp
execvp(argv[0],__argv);
exit(EXIT_CODE);
}
else
{
// 父进程进程等待,防止僵尸进程的危害
int status=0;
pid_t rid=waitpid(id, &status, 0);
if(rid == id)
{
lastcode = WEXITSTATUS(status);
}
}
}
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
{
}
// 特殊处理一下ls
if(strcmp(_argv[0], "ls") == 0)
{
_argv[_argc++] = "--color";
_argv[_argc] = NULL;
}
return 0;
AI 代码解读
}
int main()
{
while(!quit)
{
// 1.
// 2. 交互问题,获得命令行,如ls -a -l
interact(commandline, sizeof(commandline));
// commandline -> "ls -a -l -n\0" -> "ls" "-a" "-l" "-n"
// 3. 子串分割的问题,解析命令行
int argc=splitstring(commandline,_argv);
if(argc==0) continue;
//for(int i=0;i<argc;i++)
//{
// printf("[%d]:%s\n",i,_argv[i]);
//}
// 4. 指令的判断
// 内建命令
int n=buildCommand(_argv, argc);
// 普通命令
if(!n) NormalExcute(_argv);
}
return 0;
AI 代码解读
}
效果展示:
说明:
当执行./myshell命令后,便是我们自己实现的shell在进行命令行解释,我们自己实现的shell在子进程退出后都打印了子进程的退出码,我们可以根据这一点来区分我们当前使用的是Linux操作系统的shell还是我们自己实现的shell。
也就是像下面这样: