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掌握Linux进程替换：从原理到实战（自定义shell）

ai 2025/6/20 5:54:45

目录

进程程序替换

看看效果

进程替换原理---fork

认识全部接口

execl

execlp

execv

​编辑

execvp

execvpe

 ​编辑

execve系统调用

​编辑

自定义shell

1.输出命令行提示符

2.获取用户输入的命令

3. 命令行分析

4.执行命令 

5.检测并处理内建命令

初始化工作

总源码

进程程序替换

在Linux中sleep，自身就是一个命令

        

它也是C语言写的一个可执行程序，当它跑起来时，也是一个进程 

可以发现在sleep执行时，我们输入ls，pwd等命令无法执行，我们的bash在干什么？

sleep在执行时，bash在阻塞等待，因此命令会卡住

看看效果

先来看一个函数接口，execl，作用是执行一个文件

我们写一段代码来认识它

可以发现，我们的程序居然把系统的命令ls给跑起来了，所以当我们的进程先跑自己的代码，再遇到execl时，又去执行系统的二进制和代码，这种现象叫做程序替换

进程替换原理---fork

所谓的程序替换，就是自己再执行的时候，没调execl之前，就执行我的printf，它默认执行的就是我们的代码，可是执行到了execl函数时，等于这个函数给我们指向了新的一个程序，新的一个程序即新的代码和数据，而一个进程刚开始创建，先有PCB，地址空间，代码段数据段，堆区栈区，页表映射，代码数据。一旦当进程运行到execl，并成功执行，它就会把execl所指明的新的路径下的新的程序，重新覆盖式的写入我们原有进程的数据段和代码段当中，整个替换过程只替换当前进程的代码和数据。

进程 = 内核数据结构 + 代码和数据

也就是说PCB不变，页表的映射关系可能发生调整，但是整个进程基本不变，只是将新的代码和数据替换进来，这个过程叫做程序替换

在程序替换的过程中，并没有创建新的进程，只是把当前进程的代码和数据，用新的程序的代码和数据覆盖式的进行替换

为什么我们的刚才的程序，第一个printf执行了，第二个printf没有执行呢？

原因是，一旦程序替换成功，就去执行新代码了，原始代码的后半部分，已经不存在了

换句话说，1.一旦程序替换成功，那原始代码的后半部分是不会执行的

那有没有可能        执行失败呢？

我们发现它的替换就是失败的，就没有替换

我们看到execl只有错误时，才有返回值，为什么只有错误时才有返回值呢？成功时没有？

因为如果成功，那么原始代码的后半部分就被替换掉了，没有意义

2.exec*系列函数，只有失败返回值，没有成功返回值

exec*系列函数，不用做返回值判断，只要返回，就是失败

所以我们的程序一旦替换失败了，我们也不用判断，直接让程序直接结束，退出码设为1

认识全部接口

       #include <unistd.h>extern char **environ;int execl(const char *pathname, const char *arg, .../* (char  *) NULL */);int execlp(const char *file, const char *arg, .../* (char  *) NULL */);int execle(const char *pathname, const char *arg, .../*, (char *) NULL, char *const envp[] */);int execv(const char *pathname, char *const argv[]);int execvp(const char *file, char *const argv[]);int execvpe(const char *file, char *const argv[],char *const envp[]);

我们可以看到所有的exec*接口，前缀exec都一样，而后面有不同的命名方案，我们稍后再解释

在C语言中，参数栏中...代表可变参数列表，如果参数数量不确定，就可以用可变参数列表来进行声明

execl

path表示路径+程序名的方式，表示我要用谁来替换我的原有程序

后面arg，... 命令行中怎么写，我们就怎么传 

就是我们命令行中以空格分隔，然后以字符串方式传入参数

那么能用 ls -ln这样的混在一起命令吗？

可以的 ，所以命令行怎么写，我们就怎么传，就像是列表一样，将命令拆开依次传入到参数栏

execl的l就是list的意思，我们平常写的单链表，最后一个节点是空节点，

因此规定参数栏必须以NULL结尾，表明参数传递完成

有没有一种方法，我不想让程序替换把我的原有程序给替换掉，我想让其他的程序帮我执行程序替换的逻辑，不影响我原有的程序逻辑

用子进程

所以这样设计代码，就让子进程执行进程替换的逻辑，父进程正常执行原有逻辑

为什么子进程程序替换不影响父进程呢？

进程具有独立性

数据和代码都发生写实拷贝，子进程一旦程序替换成功，就和父进程彻底分离了

我们知道一个程序运行需要先加载，加载器来加载，加载器把对应的程序放到内存里，任何一个程序到内存中需要先加载成为进程，所以程序的加载本质上就是一个动态创建进程的过程，而我们学习了shell之后，就知道我们所有的进程都是bash的子进程，我们的命令都是由shell创建出子进程，然后父进程只要进行wait就可以了，而子进程去进行程序替换，加载新的进程，这样对应的命令就能被子进程跑起来了。

所以我们今天学习的exec*就属于加载器的范畴

我们的程序替换能替换代码和数据，能替换我们自己的程序吗？

可以

可以看到我们的程序用execl将我写的C++程序运行了

那么我们是否能用程序替换将python，PHP，shell脚本的东西调用起来呢？

都可以调用，所以以后任何语言包括java，我们都可以用我们的C语言程序调用，为什么能全都能调？

因为不管你是什么语言，你的脚本语言，编译型语言，在寄存器里要运行，全都是进程，只要是进程都能被程序替换，只不过在替换时，替换是代码数据不是脚本，替换的是你的解释器的代码，然后再从脚本文件依次读取。

只要你的程序未来要在系统中跑，你就必须是进程，只要是进程，就全都能替换

验证程序替换不会创建新的进程

 

execlp

execv

ls命令也是一个C语言写的可执行程序，它内部也有main函数，任何一个程序都有命令行参数，argc，argv，我们曾经没有说过，这两个参数是谁传的，谁传的，怎么传的？

任何一个程序，调用exec*函数时，如果有命令行参数，经过argv，把argv传递给path

其实在我们的参数里面，所有程序运行时都是bash的子进程，那么谁给我们传命令行参数？

父进程bash 

怎么传？

通过exec传的

execvp

execvpe

code.c

int main(){printf("我的程序开始运行\n");if(fork() == 0){printf("I am Child,My pid is: %d\n",getpid());sleep(1);//childchar*const argv[] = {(char*const)"other",(char*const)"-a",(char*const)"-b",(char*const)"-c",(char*const)"-d",NULL};char*const env[] = {(char* const)_"MYVAL=123456789",                                                                                                                                    NULL}execvpe(./other,argv,env);exit(1);}waitpid(-1,NULL,0);printf("我的程序运行完毕\n");return 0;
}

 

那我如何以新增的方式，给子进程传入环境变量呢？

两种做法

1.putenv函数

putenv，可以导入环境变量，假设 A->B->C，A是B的父进程，B是C的父进程

当在B中新增环境变量，那么A不会导入新的环境变量，而C会导入新的环境变量

2.我们用exec*e，带e的exec函数，传的时候先putenv（）导出到我们的进程，再传入environ，把默认的环境变量地址传进去，它就拿到了新的环境变量   

execve系统调用

上面的接口都是对系统调用，语言级别的封装

真正调用的还是execve

 所以上面的函数不用传递env的原因，是由于系统调用execve时，会自动传入env参数

自定义shell

1.输出命令行提示符

我们可以用printf直接打印出，命令行提示符，但是这样太固定了，我们有没有方法直接获取用户名和主机名以及路径呢？

getenv，用户名主机名等都存在环境变量中，我们可以调用getenv获取对应的变量


 snprintf

 就是把格式化的可变内容往字符串中输出

除此之外，我们这样获得的pwd是一个绝对路径，在提示符中太长了，我们想只要显示当前目录的名称

那就只能做切割字符串，路径都是以/来分割的，要么只要一个/表示根目录，要么就是一堆路径用/分割，这种情况，我们只需要最后一个/后的内容

 

2.获取用户输入的命令

先从标准输入获取，获取失败就返回false

由于我们输完命令会输入回车，因此我们要把命令中的\n，给清理掉

如果用户什么都没输入，直接按回车，我们返回false

3. 命令行分析

 大部分我们对应的命令，" ls -a -l"这是一个字符串，未来我们要执行命令时，是无法执行一个字符串的，我们的命令行参数要么以数组传入，要么以链表传入，都不能以字符串传入，因此我们要拆分字符串，要做命令行分析

我们怎么存分割的字符串呢？

我们定义一个全局的命令行参数表

用strtok来切割字符串，填充命令行参数表

4.执行命令 

直接用fork，创建子进程，并用exec*函数进程替换执行我们的命令，让父进程阻塞等待

我们应该调哪个接口呢？

应该用execvp，因为我们目前所存的命令就在vector中，需要带v，而我们的程序名又不带路径，我们需要其从环境变量中找，需要带p，而我们也不想传入环境变量，不带e

5.检测并处理内建命令

我们在执行CD目录的时候发现路径不发生变化，因为目前我们执行命令都是子进程执行的，而一旦是子进程执行，改变路径时，是子进程自己改变的，父进程没改，而cd真正改变的是父进程的路径，因为父进程改变了，以后子进程拷贝父进程才能在新的路径下工作，所以cd命令不能让子进程执行，而让父进程亲自执行，把自己的路径切掉，这种命令叫做内建命令 

所以我们还可以添加一个检测是否是内建命令的函数，如果是内建命令，我们就不需要创建子进程去执行，而是让父进程执行，这个我们就做了解，因为如果真要把所有的内建命令都添加到函数中，那可就是一个大工作了，我们知道内在逻辑就可以了    

除了cd是内建命令

echo也是内建命令，我们来实现一下echo

echo有 $?查看最近一个进程的退出码的功能，需要创建一个全局变量来记录退出码

并在execute调用exec函数时，将该变量传入

除此之外，echo还能通过 $环境变量，查看环境变量的值

这里就调用getenv直接查询

最后就是基本功能 回显输出

初始化工作

系统shell在启动的时候，会从系统中获取环境变量，但是我们的shell做不到，这个读是需要用shell脚本的，重写一个语言才行，我们只能从父进程拷贝一份，维护环境变量表，我们还要把环境变量表导入到环境变量空间中

所以我们知道shell有两张表，一张叫做命令行参数表，一张叫做环境变量表

总源码

#include <iostream>
#include <cstdio>
#include <cstring>
#include <cstdlib>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/wait.h>
#include <cstring>
#include <unordered_map>#define COMMAND_SIZE 1024
#define FORMAT "[%s@%s %s]# "// 下面是shell定义的全局数据// 1. 命令行参数表
#define MAXARGC 128
char *g_argv[MAXARGC];
int g_argc = 0; // 2. 环境变量表
#define MAX_ENVS 100
char *g_env[MAX_ENVS];
int g_envs = 0;// 3. 别名映射表
std::unordered_map<std::string, std::string> alias_list;// for test
char cwd[1024];
char cwdenv[1024];// last exit code
int lastcode = 0;const char *GetUserName()
{const char *name = getenv("USER");return name == NULL ? "None" : name;
}const char *GetHostName()
{const char *hostname = getenv("HOSTNAME");return hostname == NULL ? "None" : hostname;
}const char *GetPwd()
{//const char *pwd = getenv("PWD");const char *pwd = getcwd(cwd, sizeof(cwd));if(pwd != NULL){snprintf(cwdenv, sizeof(cwdenv), "PWD=%s", cwd);putenv(cwdenv);}return pwd == NULL ? "None" : pwd;
}const char *GetHome()
{const char *home = getenv("HOME");return home == NULL ? "" : home;
}void InitEnv()
{extern char **environ;memset(g_env, 0, sizeof(g_env));g_envs = 0;//本来要从配置文件来//1. 获取环境变量for(int i = 0; environ[i]; i++){// 1.1 申请空间g_env[i] = (char*)malloc(strlen(environ[i])+1);strcpy(g_env[i], environ[i]);g_envs++;}g_env[g_envs++] = (char*)"HAHA=for_test"; //for_testg_env[g_envs] = NULL;//2. 导成环境变量for(int i = 0; g_env[i]; i++){putenv(g_env[i]);}environ = g_env;
}//command
bool Cd()
{// cd argc = 1if(g_argc == 1){std::string home = GetHome();if(home.empty()) return true;chdir(home.c_str());}else{std::string where = g_argv[1];// cd - / cd ~if(where == "-"){// Todu}else if(where == "~"){// Todu}else{chdir(where.c_str());}}return true;
}void Echo()
{if(g_argc == 2){// echo "hello world"// echo $?// echo $PATHstd::string opt = g_argv[1];if(opt == "$?"){std::cout << lastcode << std::endl;lastcode = 0;}else if(opt[0] == '$'){std::string env_name = opt.substr(1);const char *env_value = getenv(env_name.c_str());if(env_value)std::cout << env_value << std::endl;}else{std::cout << opt << std::endl;}}
}// / /a/b/c
std::string DirName(const char *pwd)
{
#define SLASH "/"std::string dir = pwd;if(dir == SLASH) return SLASH;auto pos = dir.rfind(SLASH);if(pos == std::string::npos) return "BUG?";return dir.substr(pos+1);
}void MakeCommandLine(char cmd_prompt[], int size)
{snprintf(cmd_prompt, size, FORMAT, GetUserName(), GetHostName(), DirName(GetPwd()).c_str());//snprintf(cmd_prompt, size, FORMAT, GetUserName(), GetHostName(), GetPwd());
}void PrintCommandPrompt()
{char prompt[COMMAND_SIZE];MakeCommandLine(prompt, sizeof(prompt));printf("%s", prompt);fflush(stdout);
}bool GetCommandLine(char *out, int size)
{// ls -a -l => "ls -a -l\n" 字符串char *c = fgets(out, size, stdin);if(c == NULL) return false;out[strlen(out)-1] = 0; // 清理\nif(strlen(out) == 0) return false;return true;
}// 3. 命令行分析 "ls -a -l" -> "ls" "-a" "-l"
bool CommandParse(char *commandline)
{
#define SEP " "g_argc = 0;// 命令行分析 "ls -a -l" -> "ls" "-a" "-l"g_argv[g_argc++] = strtok(commandline, SEP);while((bool)(g_argv[g_argc++] = strtok(nullptr, SEP)));g_argc--;return g_argc > 0 ? true:false;
}void PrintArgv()
{for(int i = 0; g_argv[i]; i++){printf("argv[%d]->%s\n", i, g_argv[i]);}printf("argc: %d\n", g_argc);
}bool CheckAndExecBuiltin()
{std::string cmd = g_argv[0];if(cmd == "cd"){Cd();return true;}else if(cmd == "echo"){Echo();return true;}else if(cmd == "export"){}else if(cmd == "alias"){// std::string nickname = g_argv[1];// alias_list.insert(k, v);}return false;
}int Execute()
{pid_t id = fork();if(id == 0){//childexecvp(g_argv[0], g_argv);exit(1);}int status = 0;// fatherpid_t rid = waitpid(id, &status, 0);if(rid > 0){lastcode = WEXITSTATUS(status);}return 0;
}int main()
{// shell 启动的时候，从系统中获取环境变量// 我们的环境变量信息应该从父shell统一来InitEnv();while(true){// 1. 输出命令行提示符PrintCommandPrompt();// 2. 获取用户输入的命令char commandline[COMMAND_SIZE];if(!GetCommandLine(commandline, sizeof(commandline)))continue;// 3. 命令行分析 "ls -a -l" -> "ls" "-a" "-l"if(!CommandParse(commandline))continue;//PrintArgv();// 检测别名// 4. 检测并处理内键命令if(CheckAndExecBuiltin())continue;// 5. 执行命令Execute();}//cleanup();return 0;
}

http://www.xdnf.cn/news/13533.html

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