替换原理

fork创建子进程后执行的是和父进程相同的程序（但又可能执行不同的代码分支），如果想让子进程执行不同的程序，可以通过exec函数启动另一程序并替换执行； 当调用exec函数后，该进程的用户空间代码和数据完全被新程序替换； 调用exec函数并不创建新进程，所以调用前后的进程 id 不改变；

替换函数

  1. execl（执行文件名 + 变长数） 格式：int execl(const char* path, const char* arg, ..., NULL);

    用法：该函数接受程序路径和一系列变长参数来执行新的程序，注意最后的参数必须以NULL结尾； 示例：

execl("/usr/bin/ls", "ls", "-l", "-a", "/home", (char*)NULL);
// 注意，这里的"/home"是一个可选选项，用于指示其具体的目录，如果没有，则默认是当前目录
  1. execv（执行文件名 + 参数数组） 格式：int execv(const char* path, char* const argv[]); 用法：与execl类似，但参数通过数组传递，适合动态构建参数列表的场景； 示例：
char *args[] = { "ls", "-l", "/home", NULL };
execv("/bin/ls", args);
  1. execle（执行文件名 + 变长参数 + 环境变量） 格式：int execv(const char* path, char* const argv[]); 用法：与execl类似，但最后允许指定一个环境变量数组 envp[]，以控制新程序的环境。 示例：
char *env[] = { "USER=guest", NULL };
execle("/bin/ls", "ls", "-l", "/home", (char *)NULL, env);
  1. execve（执行文件名 + 变长参数 + 环境变量） 格式：int execve(const char* path, char* const ) 用法：该函数是最底层的exec的变体，接受路径、参数数组和环境变量数组；所有其他的exec函数都基于它实现； 示例：
char *args[] = { "ls", "-l", "/home", NULL };
char *env[] = { "USER=guest", NULL };
execve("/bin/ls", args, env);
  1. execlp（执行可搜索路径 + 变长参数） 格式：int execlp(const char *file, const char *arg, ..., NULL);; 用法：与 execl 相似，但 file 是可在环境变量 PATH 中搜索的可执行文件名，而不必指定完整路径； 示例：
execlp("ls", "ls", "-l", "/home", (char *)NULL);
  1. execvp（执行可搜索路径 + 参数数组） 格式：int execvp(const char *file, char *const argv[]); 用法：与execv相似，但file是可在PATH环境变量中搜索的文件名； 示例：
char *args[] = { "ls", "-l", "/home", NULL };
execvp("ls", args);

总结：

  1. l和v的区别：带有l，只需提供变长参数即可；而v则需要提供参数数组；
  2. e的含义：需要提供自定义的环境变量；
  3. p的作用：可以直接使用可执行文件名，其会自动在PATH变量中查找相关文件，无需提供完整路径；

六大函数总结图如下： 屏幕截图 2024-09-07 103551.png 正如上面所述，真正的系统调用是execve，所有其他的函数都依赖于其实现，所以execve在man手册的第二节，而其他的函数位于man手册的第三节； 屏幕截图 2024-09-07 103859.png

自制简易shell

有了上面一系列知识的铺垫，我们可以自己实现一个简易的shell程序，用于执行系统的部分可执行文件；

初步认识

首先，我们需要了解一般的shell的运作机理，简单来说，shell在执行用户命令时，会生成一个子进程用于执行，执行结束后，子进程自动销毁，而shell作为父进程则继续运行，接受用户的下一个命令，如此循环往复； 屏幕截图 2024-09-07 111123.png

框架实现

有了上面的认识，我们就可以使用之前介绍的exec函数来替换子进程的程序以运行用户的命令，所以一个shell程序，需要循环一下过程：

  1. 获取命令行
  2. 解析命令行
  3. 建立子进程（fork）
  4. 替换子进程（exec）
  5. 父进程等待子进程退出（wait） 下面是其简单实现：
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/wait.h>
#include <assert.h>
#include <string.h>

#define NUM 1024
#define OPT_NUM 64


char lineCommand[NUM];
char* myargv[OPT_NUM];

int main(){
  while(1){
    printf("[用户名@主机名 当前路径] # ");
    fflush(stdout);

    char* s = fgets(lineCommand, sizeof(lineCommand) - 1, stdin);

    assert(s != NULL);
    (void)s;
    lineCommand[strlen(lineCommand) - 1] = 0;

    myargv[0] = strtok(lineCommand, " ");

    int i = 1;
    while((myargv[i++] = strtok(NULL, " ")));
  
    if(strcmp(myargv[0], "cd") == 0){
      chdir(myargv[1]);
      continue;
    }
#ifdef DEBUG 
    for(int j = 0; myargv[j]; ++j){
      printf("%d : %s\n", j, myargv[j]);
    }
#endif
    pid_t id = fork();
    assert(id != -1);

    if(id == 0){
      execvp(myargv[0], myargv);
      exit(0);
    }
  
    waitpid(id, NULL, 0); 
  }

  return 0;
}

具体的代码解释以后再更新...

总结

以上就是Linux中进程程替换，介绍了几个替换函数以及进程替换的原理，并通过这些知识实现了一个简易的shell程序，用于执行用户的命令；需要注意的是，程序替换本身没有开启新进程，所以前后的进程ID是一致的；