【Linux】进程程序替换及shell的模拟实现（上)

👉进程程序替换👈

替换原理

用 fork 函数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。

替换函数

exec 函数族提供了一个在进程中启动另一个程序执行的方法，其可以根据指定的文件名或目录名找到可执行程序，并用它来取代原调用进程的数据段、代码段和堆栈段。在执行完之后，原调用进程的内容除了进程 ID 外，其他全部被新的进程替换了。

exec 函数族

#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[]);

系统调用

int execve(const char *path, char *const argv[], char *const envp[]);

exec 函数说明

• exec 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。
• exec 函数调用成功为什么没有返回值呢？因为 exec 函数调用成功，exec 函数之后的代码就不会被执行了，所以 exec 函数调用成功的返回值没有任何意义。故只需要调用失败时的返回值。

参数 pathname：可执行程序的路径名。

参数 filename：可执行程序的名字。

带l的 exec 函数：可变参数列表，要以NULL结尾。

带p的 exec 函数：不需要给该函数传可执行程序的路径，只需要告诉该函数要执行程序的名字。该函数会在环境变量 PATH 里的路径中进行程序的查找。

带v的 exec 函数：v表示 vector，即将所有的执行参数放入数组中，统一传递，而不使用可变参数列表的方式进行传递。

带e的 exec 函数：自定义环境变量

1. execl

int execl(const char *path, const char *arg, ...);

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
int main()
{
    // .c -> exe -> load -> process -> 运行 -> 执行我们现在所写的代码
    printf("process is running.....\n");
    execl("/usr/bin/ls", "ls", NULL);
    // execl的第一个参数是要执行的程序, 第二个参数是如何执行, exec函数都必须以NULL结尾
    printf("process running done...\n");
    return 0;
}

注：printf 函数没有执行的原因是 printf 函数在 execl 之后。execl 函数执行完毕的时候，代码已经被全部覆盖了，开始执行新程序的代码了，所以 printf 函数就无法执行了。如果 exec 函数调用失败，就是程序替换失败，返回 -1，并执行后序的代码。

当进程认为自己不能再为系统和用户做出任何贡献时，就可以调用 exec 函数族中的任意一个函数让自己重生。上述的场景就是如此，当这种情况并不常见。

如果一个进程想执行拎一个程序，那么它就可以调用 fork 函数新建一个子进程，然后调用 exec 函数族中的任意一个函数将子进程替换掉，这种情况非常普遍。

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>
#include <assert.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/wait.h>
int main()
{
    printf("process is running.....\n");
    pid_t id = fork();
    assert(id != -1);
    // child
    if(id == 0)
    {
        sleep(1);
        execl("/usr/bin/ls", "ls", "-a", "-l", "--color=auto", NULL);
        exit(1);    // 进程替换失败
    }
    int status = 0;
    pid_t ret = waitpid(id, &status, 0);
    if(ret > 0)
    {
        printf("wait success, exit code:%d, signal number:%d\n", (status >> 8) & 0xFF, status & 0x7F);
    }
    return 0;
}

子进程进行进程替换并不会影响父进程，因为进程的独立性！虚拟地址空间加上页表来保证进程的独立性，一旦有执行流想替换代码或者数据，就会发生写时拷贝！

2. execlp

int execlp(const char *file, const char *arg, ...);

上面的代码有两个 ls， 这两个 ls 并不重复。第一个 ls 是告诉系统要执行哪个程序，第二个 ls 是如何执行！

3. execv

int execv(const char *path, char *const argv[]);

4. exevp

int execvp(const char *file, char *const argv[]);

以上的进程替换替换的全是系统写好的程序，其实我们也可以替换我们自己写的程序。

可生成多个可执行程序的 Makefile 文件