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🌟當前專欄:c++進階

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從0到1實現Shell！Linux進程程序替換詳解 🚀

引言：為什么進程需要"變身術"？

小伙伴們好呀！👋 在之前的博客里，我們聊了進程的概念和控制，知道了進程就像一個個獨立的"工作單元"，在操作系統中忙碌地跑來跑去。但你有沒有想過：如果一個進程想"跳槽"去執行另一個程序，該怎么辦呢？ 🤔

比如我們在終端輸入ls命令時，bash進程是怎么突然變成ls進程的？今天咱們就來揭開這個神秘面紗——聊聊進程程序替換，最后再手把手教你實現一個迷你版Shell！是不是超期待？😎

一、程序替換：進程的"換衣服"魔法 🔄

1.1 什么是程序替換？

想象一下：你正在扮演奧特曼打小怪獸（當前進程執行代碼），突然接到導演通知：“下一場演迪迦！”（需要執行新程序）。你不需要換個人（創建新進程），只需要當場換衣服、換劇本（替換代碼和數據）——這就是程序替換！

專業點說：用磁盤上的新程序，完全替換當前進程的代碼段和數據段，從新程序的main函數開始執行。進程ID不變，但"靈魂"已經煥然一新～

1.2 程序替換的原理：內存中的"乾坤大挪移"

進程的地址空間就像一個"舞臺"：

• 原來的程序（如bash）在舞臺上表演（代碼段、數據段）
• 調用exec函數后，新程序（如ls）會把原來的"道具"（代碼/數據）全部清走，換上自己的"行頭"
• 但舞臺本身（進程PCB、PID）沒變，只是表演者換了

1.3 exec函數族：六種"換裝"姿勢 💃

Linux給我們提供了6個exec開頭的函數，統稱exec函數族。它們就像不同款式的"換裝魔法棒"，用法略有不同但效果一致～

函數名	特點	栗子
execl	參數是列表形式	execl("/bin/ls", "ls", "-l", NULL)
execlp	自動搜索PATH，不用寫全路徑	execlp("ls", "ls", "-l", NULL)
execle	自己傳環境變量	execle("./myprog", "myprog", NULL, myenv)
execv	參數是數組形式	char* argv[] = {"ls", "-l", NULL}; execv("/bin/ls", argv)
execvp	數組形式+自動搜PATH	execvp("ls", argv)
execve	系統調用接口，最底層	（其他函數最終調用它）

敲黑板：這些函數如果成功，就不會返回（因為代碼段已經被替換了！）；只有失敗才返回-1。

1.4 動手試試：讓進程"變身"執行ls命令

💻 代碼示例：

#include <unistd.h>
#include <stdio.h>int main() {printf("變身前：我是進程%d\n", getpid());// 用execlp執行ls -l（p表示自動搜PATH）execlp("ls", "ls", "-l", NULL);  // 注意最后一個參數必須是NULL！// 如果執行到這里，說明execlp失敗了perror("變身失敗");  // 打印錯誤原因return 1;
}

運行結果：

🎉 看到了嗎？進程從打印"變身前"變成了執行ls -l！如果把execlp換成execl("/bin/ls", "ls", "-l", NULL)效果一樣～

二、fork+exec：Shell的"分身+換裝"秘籍 🧙?♂?

2.1 為什么需要fork？

細心的小伙伴會問："如果程序替換會覆蓋當前進程，那bash自己豈不是就消失了？"🤔

沒錯！所以Shell執行命令時，會先fork一個子進程，然后在子進程中執行程序替換。這樣父進程（bash本身）就能安然無恙，繼續等待下一個命令～

這就像：餐廳服務員（bash）接到訂單（命令）后，不會自己去廚房做菜（執行程序），而是叫一個廚師（子進程）去做，自己繼續接待客人～

2.2 fork+exec的經典組合

💻 代碼示例：

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/wait.h>
#include <stdlib.h>int main() {pid_t pid = fork();  // 創建子進程if (pid == 0) {  // 子進程printf("子進程%d：我要變身ls啦！\n", getpid());execlp("ls", "ls", "-l", NULL);exit(1);  // 如果execlp失敗，退出子進程} else if (pid > 0) {  // 父進程printf("父進程%d：等待子進程完成...\n", getpid());wait(NULL);  // 等待子進程退出（避免僵尸進程）printf("父進程%d：子進程干完活啦！\n", getpid());}return 0;
}

運行結果：

三、手把手實現迷你Shell：命令行解釋器 🛠?

3.1 Shell的工作流程

一個簡易的Shell需要做三件事：

1. 讀取命令：從終端讀取用戶輸入（如ls -l）
2. 解析命令：把命令拆分成可執行程序和參數（如程序"ls"參數"-l"）
3. 執行命令：fork子進程，在子進程中執行程序替換

就像餐廳點餐流程：記錄訂單（讀命令）→ 分析菜品 （解析）→ 廚師做菜（執行）

3.2 實現步驟詳解

步驟1：打印個性化提示符（帶簡化路徑）

專業的Shell會顯示用戶名@主機名 簡化路徑（如[user@localhost ~]# ）。我們新增DirName函數提取路徑最后一部分：

#include <string>
using namespace std;#define FORMAT "[%s@%s %s]# "  // 提示符格式宏// 提取路徑最后一部分（如"/home/user" → "user"）
string DirName(const char *pwd) {string dir = pwd;if (dir == "/") return "/";  // 根目錄特殊處理auto pos = dir.rfind("/");   // 查找最后一個斜杠return dir.substr(pos + 1);  // 返回斜杠后的部分
}// 生成并打印提示符
void PrintCommandPrompt() {char prompt[COMMAND_SIZE];snprintf(prompt, sizeof(prompt), FORMAT, GetUserName(), GetHostName(), DirName(GetPwd()).c_str());printf("%s", prompt);fflush(stdout);  // 確保提示符立即顯示
}

步驟2：讀取命令行輸入（帶空命令處理）

bool GetCommandLine(char *out, int size) {char *c = fgets(out, size, stdin);  // 讀取一行輸入if (c == NULL) return false;        // 處理Ctrl+D退出out[strlen(out)-1] = '\0';          // 去掉換行符return strlen(out) > 0;             // 過濾空命令
}

步驟3：解析命令行參數（更簡潔的循環方式）

#define MAXARGC 128
char* g_argv[MAXARGC];  // 參數數組
int g_argc = 0;         // 參數個數bool CommandParse(char *commandline) {g_argc = 0;g_argv[g_argc++] = strtok(commandline, " ");  // 第一個參數while ((g_argv[g_argc++] = strtok(nullptr, " ")));  // 循環提取后續參數g_argc--;  // 修正最后一個NULL的計數return true;
}

步驟4：執行命令（標準fork+execvp流程）

int Execute() {pid_t id = fork();if (id == 0) {  // 子進程execvp(g_argv[0], g_argv);  // 執行程序替換exit(1);                    // 替換失敗才會執行}// 父進程等待子進程waitpid(id, nullptr, 0);return 0;
}

3.3 完整代碼：終極版迷你Shell！

💻 myshell.cpp（支持簡化路徑顯示+模塊化設計）：

#include <iostream>
#include <cstdio>
#include <cstring>
#include <cstdlib>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/wait.h>
#include <string>#define COMMAND_SIZE 1024  // 命令最大長度
#define MAXARGC 128        // 參數最大個數
#define FORMAT "[%s@%s %s]# "  // 提示符格式：[用戶名@主機名 路徑]#// 全局參數數組
char* g_argv[MAXARGC];
int g_argc = 0;// 獲取用戶名（從環境變量）
const char* GetUserName() {const char* name = getenv("USER");return name ? name : "None";
}// 獲取主機名（從環境變量）
const char* GetHostName() {const char* hostname = getenv("HOSTNAME");return hostname ? hostname : "None";
}// 獲取當前工作目錄（從環境變量）
const char* GetPwd() {const char* pwd = getenv("PWD");return pwd ? pwd : "None";
}// 提取路徑最后一部分（簡化顯示）
std::string DirName(const char* pwd) {std::string dir = pwd;if (dir == "/") return "/";  // 根目錄特殊處理size_t pos = dir.rfind("/");return (pos != std::string::npos) ? dir.substr(pos + 1) : dir;
}// 生成命令提示符
void MakeCommandLine(char cmd_prompt[], int size) {snprintf(cmd_prompt, size, FORMAT, GetUserName(), GetHostName(), DirName(GetPwd()).c_str());
}// 打印命令提示符
void PrintCommandPrompt() {char prompt[COMMAND_SIZE];MakeCommandLine(prompt, sizeof(prompt));printf("%s", prompt);fflush(stdout);  // 刷新緩沖區，確保提示符顯示
}// 獲取用戶輸入的命令
bool GetCommandLine(char* out, int size) {char* c = fgets(out, size, stdin);if (!c) return false;  // 處理Ctrl+D退出out[strlen(out) - 1] = '\0';  // 移除換行符return strlen(out) > 0;       // 忽略空命令
}// 解析命令行參數
bool CommandParse(char* commandline) {g_argc = 0;g_argv[g_argc++] = strtok(commandline, " ");  // 第一個參數while ((g_argv[g_argc++] = strtok(nullptr, " ")));  // 循環提取剩余參數g_argc--;  // 修正最后一個NULL的計數return true;
}// 執行命令
int Execute() {pid_t id = fork();if (id == 0) {  // 子進程execvp(g_argv[0], g_argv);  // 執行程序替換perror("command not found");  // 替換失敗時提示exit(1);} else if (id > 0) {  // 父進程waitpid(id, nullptr, 0);  // 等待子進程結束}return 0;
}int main() {while (true) {// 1. 打印命令提示符PrintCommandPrompt();// 2. 獲取命令行輸入char commandline[COMMAND_SIZE];if (!GetCommandLine(commandline, sizeof(commandline)))continue;// 3. 解析命令行參數CommandParse(commandline);// 4. 執行命令Execute();}return 0;
}

3.4 測試我們的終極版Shell！

編譯運行：

我這里并未將dirname函數接入方便和原生的shell更好區別

? 終極版特性亮點：

• 智能路徑顯示：自動提取路徑最后一部分（如/home/user/Desktop顯示為Desktop），提示符更清爽！
• 模塊化設計：拆分為MakeCommandLine、GetCommandLine等函數，代碼可讀性UP！
• 健壯性提升：過濾空命令輸入，處理Ctrl+D優雅退出
• 錯誤提示：命令不存在時顯示command not found

四、常見問題與進階方向 🚀

4.1 為什么DirName函數要特殊處理根目錄？

如果當前路徑是/（根目錄），rfind("/")會返回0，substr(1)會得到空字符串。所以需要單獨判斷，確保根目錄顯示為/而不是空白～

4.2 可以添加哪些高級功能？

這些高級功能我們將在后續文章中逐步實現，包括內置命令（如cd/exit）、輸入輸出重定向、管道等核心特性，敬請期待哦！🚀

總結：從"玩具"到"工具"的進化

今天我們不僅學習了：

• 程序替換的核心原理（exec函數族的使用）
• fork+exec的經典組合（Shell的實現基石）
  還親手實現了一個帶智能路徑顯示的模塊化Shell！

這個Shell雖然簡單，但已經包含了真實Shell的核心骨架。進程管理是Linux系統編程的靈魂，而親手實現Shell能幫你打通"進程→程序替換→用戶交互"的任督二脈！👊

有問題歡迎在評論區留言哦～ 下次見！😉