【Linux】进程替换

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进程程序替换

代码和现象

前言

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进程程序替换

代码和现象

运行后，发现使用了ls命令，而且打印end的语句也不见了。

exec*函数的作用：让进程通过exec*函数把全新的程序替换到自己对应的代码和数据，然后执行新的程序。

exec*函数执行完毕后，后续的代码不见了，因为被替换了。

替换函数

其实有六种以exec开头的函数,统称exec*函数:

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[]);

替换原理

我们自己的代码编译运行后就会变成可执行程序，运行起来后就变成进程。

进程=内核数据结构+代码和数据

替换的意义是：内核数据结构不变，个别属性可能会变，用新程序的代码代替老程序的代码。

进程的替换没有创建新的进程！所以调用exec*前后该进程的id并未改变。

站在被替换进程的角度，本质就是这个程序由磁盘被加载到内存中了。(冯诺依曼体系)

函数解释

这些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
所以exec*函数只有出错的返回值而没有成功的返回值。

如上图，没有lss命令，所以替换会失败。如果替换成功，就不会向后继续运行。所以只要继续运行了，就一定是替换失败了。

cpp 复制代码

  1 #include<stdio.h>
  2 #include<unistd.h>
  3 #include<stdlib.h>
  4 #include<sys/types.h>
  5 #include<sys/wait.h>
  6 
  7 int main()
  8 {
  9   printf("testexec ... begin!\n");
 10 
 11   pid_t id=fork();
 12   if(id==0)
 13   {
 14     sleep(2);
 15     //child  
 16     execl("/usr/bin/ls","ls","-l","-a",NULL);                                       
 17     exit(1);
 18   }
 19 
 20   //father
 21   int status=0;
 22   pid_t rid=waitpid(id,&status,0);
 23   if(rid>0)
 24   {
 25     printf("father wait success,child exit code:%d\n",WEXITSTATUS(status));
 26   }
 27   printf("testexec ... end!\n");
 28   return 0;
 29 }

运行结果如上图，进程替换成功了，父进程也等待成功。上面是用fork创建子进程，让子进程去替换，让子进程完成任务，而不改变父进程。这也是进程替换的重要意义。

命名理解

l(list) : 表示参数采用列表
v(vector) : 参数用数组
p(path) : 有p自动搜索环境变量PATH
e(env) : 表示自己维护环境变量

以execl为例，path表示要执行的程序的路径。第二个是可变参数，如果我们用ls命令，后面需要选项的话，就用逗号隔开。选项带完后，后面必须加上NULL，这是格式要求。

上面的选项参数的隔开就是l(列表)的体现。

execv的第一个参数跟上面的一样。v就是vector的意思，所以参数二就是传数组。

带有p的就是用户可以不传执行文件的路径（但是文件名称要传）。直接告诉exec*，我想执行谁就行。有了p，系统会自动在环境变量PATH中进行查找。

注意上面的参数1表示我想执行谁，参数2表示我想怎么执行。二者含义不一样。

用一个可执行程序替换另一个可执行程序：

当我们想要通过make一下就能生成两个可执行程序，可以通过.PHONY设置一个为目标，把想要生成的可执行文件作为依赖方法，这样就能同时生成两个了。

上面是通过一个程序替换另一个程序的例子。

有了这个例子的基础，接下来介绍execvpe

mypragma.cc

cpp 复制代码

  1 #include<iostream>
    2 #include<unistd.h>
    3 using namespace std;
    4 
    5 int main(int argc,char *argv[],char* env[])
    6 {
    7   int i=0;
    8   for(;argv[i];i++)
    9   {
   10     printf("argv[%d]:%s\n",i,argv[i]);
   11   }
   12 
   13   printf("------------------------\n");
   14   for(i=0;env[i];i++)
   15   {
   16     printf("env[%d]:%s\n",i,env[i]);
   17   }
   18   printf("------------------------\n");                                                                                                                                      
   19 
   20 
   21   cout<<"hello C++,I am a C++ pragma!"<<getpid()<<endl;
   22   cout<<"hello C++,I am a C++ pragma!"<<getpid()<<endl;
   23   cout<<"hello C++,I am a C++ pragma!"<<getpid()<<endl;
   24   cout<<"hello C++,I am a C++ pragma!"<<getpid()<<endl;
   25   return 0;
   26 }

testexec.c

cpp 复制代码

  7 int main()
  8 {
  9   printf("testexec ... begin!\n");
 10   
 11   pid_t id=fork();
 12   if(id==0)
 13   {
 14     char* const argv[]=
 15     {
 16       (char*)"mypragma",
 17       NULL
 18     };
 19 
 20     char* const envp[]=
 21     {
 22       (char*)"HAHA=1111",
 23       (char*)"HEHE=2222",
 24       NULL
 25     };
 26     printf("child pid:%d\n",getpid());
 27     sleep(2);
 28     execvpe("./mypragma",argv,envp);
 43     exit(1);
 44   }
 46   //father
 47   int status=0;
 48   pid_t rid=waitpid(id,&status,0);
 49   if(rid>0)
 50   {
 51     printf("father wait success,child exit code:%d\n",WEXITSTATUS(status));
 52   }
 53   printf("testexec ... end!\n");
 54   return 0;
 55 }

编译运行testexec.c程序后，就会用mypragma程序替换。里面的execvpe，参数1是要替换的文件名，参数2表示怎么执行，参数3就是环境变量。参数2和参数3都会被传到替换文件中。所以运行结果如下图:

对于main函数的子进程，它的父进程main本身也是bash的子进程，所以可以通过环境变量的第三方指针extern char** environ 获取系统的环境变量。

所以，参数3的意义就是整体替换所有的环境变量。

事实上,只有execve是真正的系统调用,其它五个函数最终都调用 execve,所以execve在man手册第2节,其它函数在 man手册第3节。之所以弄那么多接口，主要是为了支持不同的应用场景。

简易shell

cpp 复制代码

  1 #include <stdio.h>
  2 #include <stdlib.h>
  3 #include <string.h>
  4 #include <errno.h>
  5 #include <unistd.h>
  6 #include <sys/types.h>
  7 #include <sys/wait.h>
  8 
  9 #define SIZE 512
 10 #define ZERO '\0'
 11 #define SEP " "
 12 #define NUM 32
 13 #define SkipPath(p) do{ p += (strlen(p)-1); while(*p != '/') p--; }while(0)
 14 
 15 
 16 // 为了方便，我就直接定义了
 17 char cwd[SIZE*2];
 18 char *gArgv[NUM];
 19 int lastcode = 0;
 20 
 21 void Die()
 22 {
 23     exit(1);
 24 }
 25 
 26 const char *GetHome()
 27 {
 28     const char *home = getenv("HOME");
 29     if(home == NULL) return "/";
 30     return home;
 31 }
 32 
 33 const char *GetUserName()
 34 {
 35     const char *name = getenv("USER");
 36     if(name == NULL) return "None";
 37     return name;
 38 }                                                                                                                                                                              
 39 const char *GetHostName()
 40 {
 41     const char *hostname = getenv("HOSTNAME");
 42     if(hostname == NULL) return "None";
 43     return hostname;
 44 }
 45 // 临时
 46 const char *GetCwd()
 47 {
 48     const char *cwd = getenv("PWD");
 49     if(cwd == NULL) return "None";
 50     return cwd;
 51 }                                                                                                                                                                              
 52 
 53 // commandline : output
 54 void MakeCommandLineAndPrint()
 55 {
 56     char line[SIZE];
 57     const char *username = GetUserName();
 58     const char *hostname = GetHostName();
 59     const char *cwd = GetCwd();
 60 
 61     SkipPath(cwd);
 62     snprintf(line, sizeof(line), "[%s@%s %s]> ", username, hostname, strlen(cwd) == 1 ? "/" : cwd+1);
 63     printf("%s", line);
 64     fflush(stdout);
 65 }
 66 
 67 int GetUserCommand(char command[], size_t n)
 68 {
 69     char *s = fgets(command, n, stdin);
 70     if(s == NULL) return -1;
 71     command[strlen(command)-1] = ZERO;
 72     return strlen(command); 
 73 }
 74 
 75 
 76 void SplitCommand(char command[], size_t n)
 77 {
 78     (void)n;
 79     // "ls -a -l -n" -> "ls" "-a" "-l" "-n"
 80     gArgv[0] = strtok(command, SEP);
 81     int index = 1;
 82     while((gArgv[index++] = strtok(NULL, SEP))); // done, 故意写成=,表示先赋值，在判断. 分割之后，strtok会返回NULL，刚好让gArgv最后一个元素是NULL, 并且while判断结束
 83 }
 84                                                                                                                                                                                
 85 void ExecuteCommand()
 86 {
 87     pid_t id = fork();
 88     if(id < 0) Die();
 89     else if(id == 0)
 90     {
 91         // child
 92         execvp(gArgv[0], gArgv);
 93         exit(errno);
 94     }
 95     else
 96     {
 97         // fahter
 98         int status = 0;
 99         pid_t rid = waitpid(id, &status, 0);
100         if(rid > 0)
101         {
102             lastcode = WEXITSTATUS(status);
103             if(lastcode != 0) printf("%s:%s:%d\n", gArgv[0], strerror(lastcode), lastcode);
104         }
105     }
106 }
107 
108 void Cd()
109 {
110     const char *path = gArgv[1];
111     if(path == NULL) path = GetHome();
112     // path 一定存在
113     chdir(path); //更改当前的工作路径
114 
115     // 刷新环境变量
116     char temp[SIZE*2];//临时缓冲区
117     getcwd(temp, sizeof(temp)); //得到当前进程的绝对路径 
118     snprintf(cwd, sizeof(cwd), "PWD=%s", temp);//
119     putenv(cwd); // 导入新的环境变量
120 }
121 
122 int CheckBuildin()
123 {
124     int yes = 0;
125     const char *enter_cmd = gArgv[0];
126     if(strcmp(enter_cmd, "cd") == 0)
127     {
128         yes = 1;
129         Cd();
130     }
131     else if(strcmp(enter_cmd, "echo") == 0 && strcmp(gArgv[1], "$?") == 0)
132     {
133         yes = 1;
134         printf("%d\n", lastcode);
135         lastcode = 0;
136     }
137     return yes;
138 }
139 
140 
141 int main()
142 {
143     int quit = 0;
144     while(!quit)
145     {
146         // 1. 我们需要自己输出一个命令行
147         MakeCommandLineAndPrint();
148 
149         // 2. 获取用户命令字符串
150         char usercommand[SIZE];
151         int n = GetUserCommand(usercommand, sizeof(usercommand));
152         if(n <= 0) return 1;
153 
154         // 3. 命令行字符串分割. 
155         SplitCommand(usercommand, sizeof(usercommand));
156 
157         // 4. 检测命令是否是内建命令
158         n = CheckBuildin();
159         if(n) continue;
160         // 5. 执行命令
161         ExecuteCommand();
162     }
163     return 0;
164 }