LInux 进程替换（理解系统调用）

目录

一、替换原理

二、替换函数

1、exec函数

2、命名理解

3、返回值

4、使用execl/lp、execv/vp

5、执行自定义命令

Makefile编译多个文件

命令行程序mycmd.c

传入自己的可执行文件

7、子进程都继承父进程环境变量

8、execle/ve修改子进程环境变量

9、exece函数为exec系列函数提供底层实现

三、理解系统调用(接口)

操作系统接口

Shell管理接口

四、内置命令和环境变量的关系

五、模拟实现简易的shell

一、替换原理

  • 当通过fork创建子进程后，子进程会开始执行与父进程相同的程序，但它们可能会执行不同的代码路径。
  • 通常，子进程随后会调用某种exec函数来运行一个全新的程序。这个调用导致子进程的用户空间内的代码和数据被新程序完全替代，并从新程序的入口点开始执行。
  • 值得注意的是，调用exec并不会创建一个新的进程；因此，该进程的标识符（PID）在调用exec之前和之后保持不变。

二、替换函数

1、exec函数

在Linux中，exec函数用于执行其他程序，它会将当前进程的地址空间替换为新程序的地址空间，从而实现程序的替换执行。六种以exec开头的函数,统称exec函数:

#include <unistd.h>`

  1. int execl(const char *path, const char *arg, ...);
  2. int execlp(const char *file, const char *arg, ...);
  3. int execle(const char *path, const char *arg, ...,char *const envp[]);
  4. int execv(const char *path, char *const argv[]);
  5. int execvp(const char *file, char *const argv[]);
  6. int execve(const char *path, char *const argv[], char *const envp[]);

2、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

3、返回值

  • 所有这些函数，如果执行成功，都不会返回；它们会替换当前进程的映像，并从新程序的入口开始执行。
  • 如果有错误发生，这些函数会返回-1，不会发生替换。 
    • #include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>

int main()
{
    printf("进程开始\n");
    execl("/usr/bin/lss","lss","-a","-l",NULL);
    printf("进程结束\n");
    return 0;
}

[hbr@VM-16-9-centos 6.replace]$ ./myproc
进程开始
进程结束
  • 这些区别主要在于参数传递方式的不同（列表vs数组）以及是否自动搜索PATH环境变量或手动指定环境变量。

4、使用execl/lp、execv/vp

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

用途：通过指定的路径执行程序，参数以逗号分隔的列表形式直接传递，列表必须以NULL结束。

参数：

  • path：要执行的程序的路径。

  • arg：要传递给程序的第一个参数，通常为程序名称。

  • ...：后续参数，以NULL终止。

特点：参数以列表形式传递。

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/wait.h>
#include <sys/types.h>

int main()
{
    pid_t id=fork();
    if(id==0)
    {
        printf("子进程开始运行,pid:%d\n",getpid());
        execl("/usr/bin/ls","ls","-a","-l",NULL);
        sleep(2);
        exit(1);
    }
    else
    {
        printf("父进程开始运行,pid:%d\n",getpid());
        int status=0;
        pid_t id=waitpid(-1,&status,0);
        if(id>0)
        {
            printf("wait success,exit code:%d\n",WEXITSTATUS(status));
        }
    }
    return 0;
}

[hbr@VM-16-9-centos 6.replace]$ ./myproc
父进程开始运行,pid:7607
子进程开始运行,pid:7608
total 36
789092 drwxrwxr-x 3 hbr hbr 4096 Mar 14 16:59 .
788707 drwxrwxr-x 8 hbr hbr 4096 Mar 13 12:42 ..
789097 -rw-rw-r-- 1 hbr hbr  289 Mar 14 14:55 execl1.c
789093 -rw-rw-r-- 1 hbr hbr   83 Mar 13 12:30 Makefile
789028 -rwxrwxr-x 1 hbr hbr 8664 Mar 14 16:59 myproc
789136 -rw-rw-r-- 1 hbr hbr  765 Mar 14 16:59 myproc.c
789090 drwxrwxr-x 2 hbr hbr 4096 Mar 13 16:16 myshell
wait success,exit code:0

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

用途：功能与execl相似，但它在环境变量PATH中搜索file，不需要完整路径。

参数：

  • file：要执行的程序名称。

  • arg：第一个参数，通常是程序名称。

  • ...：后续参数，以NULL终止。

特点：在PATH搜索文件，参数以列表形式传递。

execlp("ls","ls","-a","-l","-i",NULL);

[hbr@VM-16-9-centos 6.replace]$ ./myproc
父进程开始运行,pid:9463
子进程开始运行,pid:9464
total 36
789092 drwxrwxr-x 3 hbr hbr 4096 Mar 14 17:05 .
788707 drwxrwxr-x 8 hbr hbr 4096 Mar 13 12:42 ..
789097 -rw-rw-r-- 1 hbr hbr  289 Mar 14 14:55 execl1.c
789093 -rw-rw-r-- 1 hbr hbr   83 Mar 13 12:30 Makefile
789028 -rwxrwxr-x 1 hbr hbr 8704 Mar 14 17:05 myproc
789136 -rw-rw-r-- 1 hbr hbr  814 Mar 14 17:05 myproc.c
789090 drwxrwxr-x 2 hbr hbr 4096 Mar 13 16:16 myshell
wait success,exit code:0

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

用途：通过指定的路径执行程序，参数通过argv数组传递。

参数：

  • path：程序的路径。

  • argv[]：一个指针数组，每个指针指向一个参数字符串，数组必须以NULL结束。

特点：参数以数组形式传递。

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/wait.h>
#include <sys/types.h>

int main()
{
    pid_t id=fork();
    if(id==0)
    {
        printf("子进程开始运行,pid:%d\n",getpid());
        sleep(2);
        char *const _argv[10]={
            (char*)"ls",
            (char*)"-l",
            (char*)"-a",
            (char*)"-i",
            NULL };
        execv("/usr/bin/ls",_argv);
        exit(1);
    }
    else
    {
        printf("父进程开始运行,pid:%d\n",getpid());
        int status=0;
        pid_t id=waitpid(-1,&status,0);
        if(id>0)
        {
            printf("wait success,exit code:%d\n",WEXITSTATUS(status));
        }
    }
    return 0;
}

[hbr@VM-16-9-centos 6.replace]$ ./myproc
父进程开始运行,pid:7607
子进程开始运行,pid:7608//sleep两秒后执行
total 36
789092 drwxrwxr-x 3 hbr hbr 4096 Mar 14 16:59 .
788707 drwxrwxr-x 8 hbr hbr 4096 Mar 13 12:42 ..
789097 -rw-rw-r-- 1 hbr hbr  289 Mar 14 14:55 execl1.c
789093 -rw-rw-r-- 1 hbr hbr   83 Mar 13 12:30 Makefile
789028 -rwxrwxr-x 1 hbr hbr 8664 Mar 14 16:59 myproc
789136 -rw-rw-r-- 1 hbr hbr  765 Mar 14 16:59 myproc.c
789090 drwxrwxr-x 2 hbr hbr 4096 Mar 13 16:16 myshell
wait success,exit code:0

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

用途：功能与execv相似，但它在环境变量PATH中搜索file。

参数：

  • file：要执行的程序名称。
  • argv[]：参数数组，以NULL结束。

特点：在PATH搜索文件，参数以数组形式传递。

char *const _argv[10]={
            (char*)"ls",
            (char*)"-l",
            (char*)"-a",
            (char*)"-i",
            NULL };
execvp("ls",_argv);

[hbr@VM-16-9-centos 6.replace]$ ./myproc
父进程开始运行,pid:10531
子进程开始运行,pid:10532
total 36
789092 drwxrwxr-x 3 hbr hbr 4096 Mar 14 17:08 .
788707 drwxrwxr-x 8 hbr hbr 4096 Mar 13 12:42 ..
789097 -rw-rw-r-- 1 hbr hbr  289 Mar 14 14:55 execl1.c
789093 -rw-rw-r-- 1 hbr hbr   83 Mar 13 12:30 Makefile
789028 -rwxrwxr-x 1 hbr hbr 8672 Mar 14 17:08 myproc
789136 -rw-rw-r-- 1 hbr hbr  844 Mar 14 17:08 myproc.c
789090 drwxrwxr-x 2 hbr hbr 4096 Mar 13 16:16 myshell
wait success,exit code:0

5、执行自定义命令

Makefile编译多个文件

  • .PHONY:all声明了一个伪目标all，意味着all不是一个真正的文件名，它的作用主要是作为一个便捷的方式来列出所有的默认构建目标。
  • all:exec mycmd定义了一个规则，它指出要构建all时，需要构建exec和mycmd这两个目标。
  • -o $@指定输出的可执行文件名，其中$@是自动变量，代表当前规则的目标名（exec或mycmd）。
  • $^是另一个自动变量，代表所有的依赖文件列表（这里分别是exec.c和mycmd.c）。
[hbr@VM-16-9-centos 6.replace]$ cat Makefile 
.PHONY:all
all:exec mycmd

exec:exec.c
	gcc -std=c99 -o $@ $^
mycmd:mycmd.c
	gcc -std=c99 -o $@ $^

.PHONY:clean
clean:
	rm -f exec mycmd

[hbr@VM-16-9-centos 6.replace]$ make
gcc -std=c99 -o mycmd mycmd.c

[hbr@VM-16-9-centos 6.replace]$ ll
total 44
-rwxrwxr-x 1 hbr hbr 8664 Mar 14 17:25 exec
-rw-rw-r-- 1 hbr hbr  844 Mar 14 17:08 exec.c
-rw-rw-r-- 1 hbr hbr  289 Mar 14 14:55 execl.c
-rw-rw-r-- 1 hbr hbr  138 Mar 14 17:24 Makefile
-rwxrwxr-x 1 hbr hbr 8456 Mar 14 17:26 mycmd
-rw-rw-r-- 1 hbr hbr  364 Mar 14 17:26 mycmd.c
drwxrwxr-x 2 hbr hbr 4096 Mar 13 16:16 myshell

命令行程序mycmd.c

这是一个简单的命令行程序，它根据传入的参数执行不同的操作。

  • 首先，它检查是否有恰好两个参数（argc!=2），即程序名和一个额外的参数。如果不是，它会打印 "can not execute!" 并退出。
  • 接下来，它比较第二个参数（argv[1]）与字符串 "-a" 和 "-b"。如果是 "-a"，它打印 "command a"；如果是 "-b"，它打印 "command b"；否则，它打印 "default!"。
  • 最后，程序正常结束。
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>

int main(int argc,char *argv[])
{
    if(argc!=2)
    {
        printf("can not execute!\n");
        exit(1);
    }
    if(strcmp(argv[1],"-a")==0)
        printf("command a\n");
    else if(strcmp(argv[1],"-b")==0)
        printf("command b\n");
    else
        printf("default!\n");

    return 0;
}

[hbr@VM-16-9-centos 6.replace]$ ./mycmd
can not execute!
[hbr@VM-16-9-centos 6.replace]$ ./mycmd -a
command a
[hbr@VM-16-9-centos 6.replace]$ ./mycmd -b
command b
[hbr@VM-16-9-centos 6.replace]$ ./mycmd -c
default!

传入自己的可执行文件

  • 在这个代码示例中使用的 execl 函数，是用来在当前进程中加载并执行一个新程序的。这个函数需要可执行文件的路径作为参数，而不是源代码文件。
  • 源代码文件不能直接被 execl 执行，因为它们是文本文件，需要先编译成机器可以理解和执行的二进制格式。
  • 当代码中使用 execl(myfile, "mycmd", "-b", NULL); 时，操作系统会查找路径 /home/hbr/linux/process/6.replace/mycmd 指向的可执行文件，加载它到当前进程的内存空间中，并开始执行。
  • 如果 myfile 变量指向的是一个 C 语言源代码文件，操作系统无法执行它，因为它不是二进制的可执行格式。 
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/wait.h>
#include <sys/types.h>

//绝对路径和相对路径均可
//const char *myfile="/home/hbr/linux/process/6.replace/mycmd";
const char *myfile="./mycmd";

int main()
{
    pid_t id=fork();
    if(id==0)
    {
        printf("子进程开始运行,pid:%d\n",getpid());
        sleep(2);
        char *const _argv[10]={
            (char*)"ls",
            (char*)"-l",
            (char*)"-a",
            (char*)"-i",
            NULL };
        execl(myfile,"mycmd","-b",NULL);
        exit(1);
    }
    else
    {
        printf("父进程开始运行,pid:%d\n",getpid());
        int status=0;
        pid_t id=waitpid(-1,&status,0);
        if(id>0)
        {
            printf("wait success,exit code:%d\n",WEXITSTATUS(status));
        }
    }
    return 0;
}

  • const char *myfile="./mycmd"; 这行代码定义了一个指向字符串的指针myfile，这个字符串包含了要执行的程序的路径。这里使用的是相对路径，意味着mycmd程序位于当前工作目录下。如果你的程序位于其他位置，你可以通过修改这个字符串来指定正确的路径，无论是绝对路径还是相对路径。

  • execl(myfile,"mycmd","-b",NULL); 这行代码实际上是在调用execl函数，用于在当前进程（这里是子进 程）中执行一个新的程序。execl函数的第一个参数是要执行的程序的路径，这里通过myfile变量传递。第二个参数是程序名，这里是"mycmd"，它是传递给新程序的argv[0]的值。接下来的参数是传递给mycmd程序的命令行参数，在这个例子中只有一个"-b"。最后一个参数必须是NULL，标志着参数列表的结束。

[hbr@VM-16-9-centos 6.replace]$ make
gcc -std=c99 -o exec exec.c
gcc -std=c99 -o mycmd mycmd.c
[hbr@VM-16-9-centos 6.replace]$ ./exec 
父进程开始运行,pid:20549
子进程开始运行,pid:20550
command b
wait success,exit code:0

7、子进程都继承父进程环境变量

在操作系统中，当创建一个子进程时，无论是否执行了程序替换（例如，使用exec系列函数），子进程通常会继承父进程的环境变量。这种行为允许子进程访问父进程定义的环境设置，如路径设置、用户信息等。下面分两种情况进行详细讲解：

不执行程序替换的情况

在不执行程序替换的情况下，子进程是父进程的一个副本，除了进程ID等少数属性外。子进程继承了父进程的数据段、代码段、堆、栈以及环境变量等。因此，子进程可以使用和修改它继承的环境变量，这些修改不会影响父进程的环境变量，因为父子进程在内存中是隔离的。

执行程序替换的情况

执行程序替换（例如，通过exec系列函数）意味着子进程将放弃其代码段和数据段，以及堆和栈，转而加载一个新程序。但即便如此，新程序的执行环境仍然继承自父进程的环境变量。exec系列函数允许新程序访问这些环境变量，除非显式地通过调用exec函数的某些变体来改变它们（如execle或execve，这些变体允许调用者指定一个新的环境变量数组）。

为什么这么设计？

这种设计使得环境变量成为了进程间通信的一种简单而有效的方式。父进程可以通过设置环境变量来影响子进程的行为，而不必修改代码。例如，很多程序都会读取PATH环境变量来确定可执行文件的搜索路径，或者读取HOME变量来确定用户的家目录。

8、execle/ve修改子进程环境变量

execle(const char *path, const char *arg, ..., char *const envp[]);

用途：与execl类似，但允许指定一个环境变量数组，用于新程序的执行环境。

参数：

  • path：程序的路径。

  • arg：第一个参数，通常是程序名称。

  • ...：后续参数，以NULL终止。

  • envp[]：指向环境变量字符串数组的指针，数组必须以NULL结束。

特点：参数以列表形式传递，可以指定环境变量。

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

用途：是exec系列函数中最全面的函数，它允许通过路径执行程序，同时指定参数和环境变量。

参数：

  • path：程序的路径。

  • argv[]：参数数组，以NULL结束。

  • envp[]：环境变量数组，以NULL结束。

特点：参数和环境变量都以数组形式传递，提供最大的灵活性。

在这个场景中，环境变量MY_VAL的值1024是通过在子进程中使用execle或execve函数传递给新执行的程序mycmd的。这些函数允许你指定一个新的环境变量数组，这个数组会替换掉调用进程的环境变量。

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>

int main(int argc,char *argv[])
{
    if(argc!=2)
    {
        printf("can not execute!\n");
        exit(1);
    }

    printf("获取环境变量：%s\n",getenv("MY_VAL"));

    if(strcmp(argv[1],"-a")==0)
        printf("command a\n");
    else if(strcmp(argv[1],"-b")==0)
        printf("command b\n");
    else
        printf("default!\n");

    return 0;
}

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/wait.h>
#include <sys/types.h>

//const char *myfile="/home/hbr/linux/process/6.replace/mycmd";
const char *myfile="./mycmd";

int main()
{
    pid_t id=fork();
    if(id==0)
    {
        printf("子进程开始运行,pid:%d\n",getpid());
        char *const _env[10]={
            (char*)"MY_VAL=1024",NULL};
        
        execle(myfile,"mycmd","-a",NULL,_env);

        exit(1);
    }
    else
    {
        printf("父进程开始运行,pid:%d\n",getpid());
        int status=0;
        pid_t id=waitpid(-1,&status,0);
        if(id>0)
        {
            printf("wait success,exit code:%d\n",WEXITSTATUS(status));
        }
    }
    return 0;
}

[hbr@VM-16-9-centos 6.replace]$ ./exec 
父进程开始运行,pid:928
子进程开始运行,pid:929
获取环境变量：1024
command a
wait success,exit code:0


 char *const _mycmd[10]={
            (char*)"mycmd",
            (char*)"-a"};
        execve(myfile,_mycmd,_env);

[hbr@VM-16-9-centos 6.replace]$ ./exec 
父进程开始运行,pid:3807
子进程开始运行,pid:3808
获取环境变量：1024
command a
wait success,exit code:0

我们通过打印出环境变量检测是否指定成功

设置环境变量： 在子进程中，通过定义一个包含环境变量定义的字符串数组_env，并将其作为execle或execve函数的最后一个参数传递，你可以设置新进程的环境变量。在这个例子中，_env数组定义了一个环境变量MY_VAL，其值为1024。

char *const _env[10]={
    (char*)"MY_VAL=1024",NULL};

使用execle或execve执行程序： 当使用execle或execve函数时，你可以传递上面定义的环境变量数组_env给新程序。这样，新程序就会以这个新的环境变量集合启动。

使用execle:

execle(myfile,"mycmd","-a",NULL,_env);

或使用execve:

char *const _mycmd[10]={
    (char*)"mycmd",
    (char*)"-a"};
execve(myfile,_mycmd,_env);

在新程序中获取环境变量： 在mycmd程序中，使用getenv函数可以获取指定的环境变量的值。如果环境变量存在，getenv会返回指向该环境变量值的指针。

printf("获取环境变量：%s\n",getenv("MY_VAL"));

这样，当mycmd程序执行时，它会打印出获取环境变量：1024，显示了通过execle或execve传递并在新进程中设置的环境变量MY_VAL的值。

execle(myfile,"mycmd","-a",NULL,_env);

[hbr@VM-16-9-centos 6.replace]$ ./exec 
父进程开始运行,pid:928
子进程开始运行,pid:929
获取环境变量：1024
command a
wait success,exit code:0


char *const _mycmd[10]={
            (char*)"mycmd",
            (char*)"-a"};
execve(myfile,_mycmd,_env);

[hbr@VM-16-9-centos 6.replace]$ ./exec 
父进程开始运行,pid:3807
子进程开始运行,pid:3808
获取环境变量：1024
command a
wait success,exit code:0

9、exece函数为exec系列函数提供底层实现

实际上，Linux中的exec系列函数（如execl, execp, execle, execv, execvp, execvpe等）最终都是通过调用execve函数来执行程序替换的。execve是exec系列函数中最底层的实现，它直接与Linux内核交互来执行程序替换。其他exec函数提供了不同的接口以方便使用，在内部，它们会转换参数格式以符合execve的要求，然后调用execve。

execve函数

execve是exec系列函数中唯一一个直接由内核提供的系统调用。它的原型如下

int execve(const char *pathname, char *const argv[], char *const envp[]);
  • pathname是要执行的程序的路径。
  • argv是指向字符串数组的指针，这些字符串构成了传递给新程序的参数列表。
  • envp是指向字符串数组的指针，这些字符串构成了新程序的环境变量列表。

为什么也需要其他exec函数

尽管execve提供了执行程序替换所需的全部功能，但其接口对于日常使用来说可能不够方便或直观。例如，要执行一个程序并传递参数，使用execve需要手动构建参数和环境变量的数组。因此，其他exec函数提供了更简单或更适合特定场景的接口。

  • execl和execlp允许程序员直接在函数调用中列出所有参数，而不是通过数组传递。
  • execv和execvp接受参数数组，但它们不要求手动指定环境变量数组，而是自动使用当前进程的环境。
  • execle提供了一个显式指定环境变量数组的接口。
  • 特别的是，execvp和execvpe版本还会在环境变量中指定的路径列表中搜索程序文件名，而不是要求完整的路径名。

三、理解系统调用(接口)

内部和外部命令体现了Shell作为操作系统管理接口的能力，而操作系统接口（如系统调用）是这些命令实现其功能的基础。Shell通过将用户命令转化为对应的系统调用或内部操作，桥接了用户和操作系统之间的交互。

操作系统接口

  • 操作系统接口主要指的是操作系统提供给用户和程序员的编程接口，这些接口通常是一组系统调用。
  • 系统调用是操作系统的核心提供的服务，允许用户空间的程序执行诸如文件操作、进程控制和网络通信等操作系统级别的操作。
  • 例如，当程序执行文件读写操作时，实际上是通过系统调用来实现的，系统调用作为用户程序和操作系统内核之间的桥梁。

Shell管理接口

Shell作为用户与操作系统之间的接口，提供了一种交互式的环境或脚本执行环境，使得用户可以通过命令来操作操作系统。Shell本身并不直接执行操作，而是通过解释命令来调用相应的程序或操作系统功能：

外部命令：这类命令对应于磁盘上的可执行程序，通常由第三方提供。当这类命令被执行时，Shell会创建一个新的子进程来运行对应的二进制文件。这意味着命令执行与Shell本身是隔离的，运行完毕后，控制权返回给Shell。外部命令的示例包括像ls、grep等大多数UNIX/Linux命令。

一些常见的内置命令包括：

  • cd：改变当前工作目录
  • echo：打印文本到标准输出
  • pwd：显示当前工作目录
  • export：设置环境变量

内置命令：这类命令直接由Shell自身实现，并在Shell的上下文中执行。这意味着这些命令可以直接访问和修改Shell的内部状态或环境。由于这些命令需要直接影响Shell本身或者为了效率考虑而不通过创建新进程来执行，它们是作为Shell的一部分实现的。典型的内置命令包括cd、export等，这些命令需要改变当前工作目录或者环境变量，对Shell的运行环境产生直接影响。

一些常见的外部命令包括：

  • ls：列出目录内容
  • grep：搜索文本
  • cat：连接文件并打印到标准输出
  • cp：复制文件或目录

四、内置命令和环境变量的关系

内置命令提供了一种机制来操作和配置环境变量，而环境变量则为内置命令（以及外部命令）的执行提供上下文和配置信息。这种相互作用是shell环境灵活和强大的原因之一。

内置命令和环境变量在shell中扮演着各自独特但互相关联的角色。它们之间的关系主要表现在以下几个方面：

  1. 环境变量配置内置命令行为：许多内置命令的行为可以通过设置特定的环境变量来调整。例如，内置命令echo在打印时，其行为可能会受到IFS（内部字段分隔符）环境变量的影响。

  2. 内置命令管理环境变量：Shell提供了一些内置命令来直接操作环境变量，如export、unset等。使用export可以设置或导出环境变量，以便在当前shell及其子shell中使用。unset命令可以用来删除环境变量。

  3. 环境变量影响命令查找：当执行任何命令时，shell通过PATH环境变量指定的目录列表来查找外部命令的可执行文件。虽然这直接关系到外部命令，但它也说明了环境变量对shell操作的全局影响，包括如何通过修改环境变量来影响内置命令处理外部命令的方式。

  4. 内置命令使用环境变量进行操作：某些内置命令在执行时会使用到特定的环境变量。例如，printenv内置命令（在某些shell版本中可用）可以打印当前的环境变量列表。

  5. 初始化和配置Shell环境：在启动shell时，特定的配置文件（如.bashrc、.bash_profile、/etc/profile等）会被读取和执行。这些文件中的命令经常包括使用内置命令设置环境变量的语句，以配置用户的shell环境。

五、模拟实现简易的shell

我们来实现一个简单的shell程序，它模拟了Linux shell的基本行为，包括接收命令行输入、解析命令和参数、执行命令，并显示执行结果。

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/wait.h>
#include <string.h>
#include <sys/types.h>

#define NUM 1024
#define SIZE 32
#define SEP " "//分隔符（必须字符串）
//保存完整的命令行字符串
char cmd_line[NUM];
//保存打散之后的命令行字符串
char *g_argv[SIZE];

//shell运行原理：通过让子进程执行命令，父进程等待&解析命令
int main()
{
    //0.命令行解释器一定是一个常驻内存的进程，不退出
    while(1)
    {
        //1.打印出提示信息[hbr@localhost myshell]#
        printf("[root@localhost myshell]#");
        fflush(stdout);
        memset(cmd_line,'\0',sizeof cmd_line);
        //2.获取用户的键盘输入[输入的是各种指令和选项："ls -a -l"]
        if(fgets(cmd_line,sizeof cmd_line,stdin)==NULL)
        {
            continue;
        }
        //处理输入后的回车键导致的换行问题
        cmd_line[strlen(cmd_line)-1]='\0';
        printf("echo: %s\n",cmd_line);
        //3.命令行解析 "ls -a -l" -> "ls" "-a" "-l"
        g_argv[0]=strtok(cmd_line,SEP);//第一次调用，传入原始字符串
        int index=1;
        while(g_argv[index++]=strtok(NULL,SEP));//第二次还要解析原始字符串，传入NULL
        // for debug 
       // for(index=0;g_argv[index];index++)
       // {
       //     printf("g_argv[%d]: %s\n",index,g_argv[index]);
       // }
        
       //4.TODO内置命令,让父进程（shell）自己执行的命令叫做内置命令、内建命令
        //cd命令不能在子进程运行
        if(strcmp(g_argv[0],"cd")==0)
        {
            if(g_argv[1]!=NULL) chdir(g_argv[1]);
            continue;
        }
        //5.fork()
        pid_t id=fork();
        if(id==0)
        {
            printf("下面功能让子进程进行的\n");
            execvp(g_argv[0],g_argv);
            exit(1);
        }
        int status=0;
        pid_t ret=waitpid(id,&status,0);
        if(ret>0) printf("exit code:%d\n",WEXITSTATUS(status));
    }
    return 0;
}

  1. 无限循环等待用户输入：程序首先进入一个无限循环，等待用户输入命令。这模拟了shell的常驻内存特性，即shell会一直运行，等待用户输入。

  2. 接收和处理用户输入：使用fgets函数从标准输入（键盘）读取一行命令，并用strtok函数将其拆分为命令和参数。这里的SEP定义为一个空格字符，用作命令和参数之间的分隔符。

  3. 内置命令处理：检查是否输入了cd命令，因为cd是一个内置命令，需要由当前的shell进程（而不是子进程）来执行。如果是cd命令，就调用chdir函数改变当前工作目录。

  4. 创建子进程执行外部命令：通过fork创建一个子进程。在子进程中，使用execvp函数执行用户输入的命令。execvp允许在环境变量PATH中搜索命令的可执行文件，并用提供的参数数组执行该命令。

  5. 父进程等待子进程结束：父进程（即原始的shell进程）使用waitpid函数等待子进程结束，并获取子进程的退出状态。

  6. 命令执行反馈：程序打印出每个命令的执行结果，包括命令输出和退出状态。

测试一下：

[hbr@VM-16-9-centos myshell]$ ./myshell 
[root@localhost myshell]#ls -a -l
echo: ls -a -l
下面功能让子进程进行的
total 28
drwxrwxr-x 2 hbr hbr 4096 Mar 13 16:16 .
drwxrwxr-x 3 hbr hbr 4096 Mar 13 15:16 ..
-rw-rw-r-- 1 hbr hbr   76 Mar 13 15:18 Makefile
-rwxrwxr-x 1 hbr hbr 9128 Mar 13 16:16 myshell
-rw-rw-r-- 1 hbr hbr 2074 Mar 13 16:16 myshell.c
exit code:0
[root@localhost myshell]#pwd
echo: pwd
下面功能让子进程进行的
/home/hbr/linux/process/6.replace/myshell
exit code:0
[root@localhost myshell]#cd ..
echo: cd ..
[root@localhost myshell]#pwd
echo: pwd
下面功能让子进程进行的
/home/hbr/linux/process/6.replace
exit code:0
[root@localhost myshell]#cd /
echo: cd /
[root@localhost myshell]#pwd
echo: pwd
下面功能让子进程进行的
/
exit code:0
[root@localhost myshell]#cd /home/hbr/linux/process/6.replace/myshell
echo: cd /home/hbr/linux/process/6.replace/myshell
[root@localhost myshell]#pwd
echo: pwd
下面功能让子进程进行的
/home/hbr/linux/process/6.replace/myshell
exit code:0
[root@localhost myshell]#^C
[hbr@VM-16-9-centos myshell]$

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