【linux进程控制(三)】进程程序替换–如何自己实现一个bash解释器?

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进程程序替换

1. 前言
2. exec系列函数的认识
3. execl系列函数
4. execv系列函数
5. 程序替换的使用场景
6. 自我实现一个bash解释器
7. 内建命令的特殊性
8. 总结以及拓展

1. 前言

本篇文章是进程控制的最后一篇文章
有时我们遇见这种场景:子进程被创建
出来后并不想执行父进程的代码,而是
想去执行其他程序的代码来完成任务,
于是在这种场景下,程序替换显得很重要!

本章重点:

本篇文章着重讲解进程程序替换
的exec系列函数的用法(一共六个),
并且自主实现一个bash解释器.
最后拓展如何使用C调用其他语言的程序

2. exec系列函数的认识

在fork之后如果子进程想要执行一个
全新的程序,就需要用到此系列函数!

这里一共有六个函数,但是它们都有
一定的规律,并不难记忆!它们都是失败
返回-1首先先介绍一个最简单的函数:
execl

它的参数分别代表:要执行的程序的路径
以及名字,和如何执行此程序

先使用再解释:

int main()    
{    
    printf("我要进行程序替换了...\n");    
    int n = execl("/usr/bin/ls","ls","-a","-l",NULL);                                                                                                                   
    if(n==-1)    
    {    
        perror("execl");    
    }    
    printf("程序替换完毕!\n");    
    return 0;    
}

现象:

可以发现,在打印完:我要进行程序替换
后,就去执行了ls程序了,并且执行完后
并没有打印”程序替换完成”!

表面execl后,会将当前进程的代码和数据
进行替换,包括还没执行的代码!

3. execl系列函数

首先,execl隶属于exec系列,加上l,
l就是list,相当于要把执行的程序的路径
给列举出来,execl系列中还有
execlp和execle,现在来讲解这两个

execlp函数解析:

int main()    
{    
    printf("我要进行程序替换了...\n");    
    int n = execlp("ls","-l",NULL);                                                                                                                                     
    if(n==-1)    
    {    
        perror("execl");    
    }    
    printf("程序替换完毕!\n");    
    return 0;    
}

可以发现,使用execlp函数即使不加上
路径也可以找到程序,并且允许它,但是
这是为什么呢?带上p,p也就是PATH
环境变量,所以系统会去环境变量PATH
中找路劲,若找到就直接执行它!

execle函数解析:

int main()    
{    
    const char* _env[]={"MY_ENV=666",NULL};    
    printf("我要进行程序替换了...\n");    
    int n = execle("/usr/bin/ls","ls","-l",NULL,_env);//自己定义一个环境变量MY_ENV=666传递给要去执行的程序                                                              
    if(n==-1)    
    {    
        perror("execl");    
    }    
    printf("程序替换完毕!\n");    
    return 0;    
}

execle可以在执行其他程序前,
传入自己定义的环境变量,方便后续
程序的执行!e也就是env的简写

4. execv系列函数

execv系列函数即为将l换成了v,
v就是vector,数组,也就是利用
数组来传参

execv函数解析:

int main()    
  {    
	  char* const set[]={"ls","-a","-l",NULL};  
      printf("我要进行程序替换了...\n");    
      int n = execv("/usr/bin/ls",set);                                                                             
      if(n==-1)    
      {    
          perror("execl");    
      }    
      printf("程序替换完毕!\n");    
      return 0;    
  }

将我们要执行程序的方法用数组存起来
如何再把数组传过去!后面的execvp和
execvpe函数也就很好理解了,加上p无非
就是去环境变量PATH中找路径,加上e也
就是给要去执行的程序传入环境变量,仅此而已!

5. 程序替换的使用场景

其实一般情况下,程序替换都不是将
自己替换掉,而是创建子进程去替换,
让子进程去干活,而父进程当”监工”

在这种场景下,我们可以很自然的想到
bash解释器的工作原理可能就是创建
子进程去执行任务,而bash父进程本身
就需要获取指令,并传达命令即可!

首先,bash解释器一定是一个while
死循环,因为它会不断给我们打印信息:
当然这个消息你可以自定义处理

int main()
{
    while(1)
    {
        //打印提示信息
        printf("[kwy@localhost myshell]# ");
        fflush(stdout);
        ......
    }
    return 0;
}

我们先把bash的整体结构分析一下,
然后在一步一步的实现它:

首先我们需要定义两个数组A和B
A用来存放用户输入的所有字符串
B用来存放以空格打散后的字符串
第二步,获取用户输入的字符串后,
将字符串以空格为分割打散
第三步,创建子进程使用exec系列
函数去执行用户输入的指令
而bash本身充当监工的角色等待子进程死亡

6. 自我实现一个bash解释器

首先先创建两个数组备用
然后再接收用户的输入

#define NUM 1000
#define SIZE 16
char cmd_line[NUM];//保存完整的命令行字符串
char* my_argv[SIZE];//保存打散后的字符串
if(fgets(cmd_line,sizeof cmd_line,stdin)==NULL)//用fgets将标准输入输入到数组中
    continue;
cmd_line[strlen(cmd_line)-1] = '\0';//将输入的换行符给清除掉

接下来就是将字符串以空格为分割打散了
在C语言的学习时有strtok函数可以帮助
我们解决这个问题,它的功能如下:

这里默认大家知道这个函数的用法了
所以我直接将分割字符串的代码写出来:

//命令行字符串解析:以空格为分割打散
my_argv[0]=strtok(cmd_line," ");//提出第一部分
int index=1;
while(my_argv[index++] = strtok(NULL," "));//第二次调用strtok时若还想解析第一次调用的字符串,则传NULL

这段代码写完后,字符串就已经被我们
分割成了几个小字符串了,比如用户输入
“ls -a -l”就转换成了”ls”,“-a”,”-l”了,接下来
只需创建子进程完成任务即可!

//shell运行原理：通过子进程执行命令，父进程等待&&解析命令
//命令行解释器是一个常驻程序
#define NUM 1000
#define SIZE 16
char cmd_line[NUM];//保存完整的命令行字符串
char* my_argv[SIZE];//保存打散后的字符串

int main()
{
    while(1)
    {
        //打印提示信息
        printf("[kwy@localhost myshell]# ");
        fflush(stdout);
        memset(cmd_line,'\0',sizeof cmd_line);
        //获取用户的键盘输入
        if(fgets(cmd_line,sizeof cmd_line,stdin)==NULL)
            continue;
        cmd_line[strlen(cmd_line)-1] = '\0';//将输入的换行符给清除掉
        //命令行字符串解析:以空格为分割打散
        my_argv[0]=strtok(cmd_line," ");//提出第一部分
        int index=1;
        while(my_argv[index++] = strtok(NULL," "));//第二次调用strtok时若还想解析第一次调用的字符串,则传NULL
        //fork后子进程去完成任务
        pid_t id=fork();
        if(id == 0)//子进程
        {
            printf("下面的功能让子进程执行\n");
            //当执行cd等命令时,改变的是子进程的路径,而父进程的路径没变
            execvp(my_argv[0],my_argv);
            exit(1);//执行失败就返回1
        }
        //父进程的代码,当监工
        int status = 0;
        pid_t ret = waitpid(-1,&status,0);
        if(ret>0) printf("exit code: %d\n",WEXITSTATUS(status));
    }
    return 0;
}

关于代码的解释都在注释中
如果你还有哪个地方不懂,欢迎私信

7. 内建命令的特殊性

在实现bash时,可能会遇见一个问题:
就是cd指令进入某个文件夹似乎没用

这一点其实很好理解,因为指令cd是
进入某个文件夹,而进入此文件夹当然
是当前进程进入了,如果创建了子进程
去进去文件夹,由于写时拷贝的原因,父
进程并不会进去,所以对于像cd这样的
指令我们称为内建命令,也就是不能让
子进程来完成的命令,只能父进程亲自动手!

if(strcmp(my_argv[0],"cd")==0)
{
   if(my_argv[1]!=NULL)
       chdir(my_argv[1]);
   continue;//直接跳到while(1)处
}

chdir即为切换当前的工作目录

内建命令不止cd,像export,kill
和history等等也是内建命令!

8. 总结以及拓展

进程程序替换可以帮助我们完成很多
任务,制作一个简易的bash解释器只是
众多应用中的一个,随着我们学习的深入
你还会发现新大陆!

对于程序替换的拓展:

在Linux下,C语言程序不仅可以替换成
C语言程序去执行,还可以替换成python
或Java甚至是bash等程序去执行它们
语言的代码:

比如python脚本:

#! /usr/bin/python3.6
print("hello Python/n")

运行命令: python test.py

将进程替换为Python程序：execlp("python", "python", "test.py", NULL);

这样就可以直接在C程序上执行python代码了!

🔎 下期预告:基础IO 🔍

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