深度剖析Linux进程控制

🍕前言

在认识完进程的地址空间后，让我们来继续探索进程控制模块的知识，一步步揭开Linux进程控制的神秘面纱。

🥝进程创建

fork 函数

在Linux中，fork 函数是进程控制众多函数中最重要的函数之一，它能从已存在的进程中创建一个新进程。新进程为子进程，而原进程为父进程。

返回值：

• 返回 0 给子进程。
• 返回子进程的 PID 给父进程。
• 子进程创建失败，返回 -1 给父进程。

进程调用 fork，内核的工作：

• 分配新的内存块和内核数据结构给子进程。
• 将父进程部分数据结构内容拷贝至子进程。
• 添加子进程到进程运行队列当中。
• fork 返回，开始调度器调度。

fork之后，父子进程代码共享。例如：

运行结果如下：

这里可以看到，before 只输出了一次，而 after 输出了两次。其中，before 是由父进程打印的，而调用 fork 函数之后打印的两个 after，则分别由父进程和子进程两个进程执行。也就是说，fork 之前父进程独立执行，而 fork 之后父子两个执行流分别执行。

注意： fork 之后，父进程和子进程谁先执行完全由调度器决定。

fork函数返回值

fork函数为什么要给子进程返回 0，给父进程返回子进程的 PID？

一个父进程可以创建多个子进程，而一个子进程只能有一个父进程。因此，对于子进程来说，父进程是不需要被标识的；而对于父进程来说，子进程是需要被标识的，因为父进程创建子进程的目的是让其执行任务的，父进程只有知道了子进程的 PID 才能很好的对该子进程指派任务。

为什么fork函数有两个返回值？

父进程调用 fork 函数后，为了创建子进程，fork 函数内部将会进行一系列操作，包括创建子进程的进程控制块、创建子进程的进程地址空间、创建子进程对应的页表等等。子进程创建完毕后，操作系统还需要将子进程的进程控制块添加到系统进程列表当中，此时子进程便创建完毕了。

也就是说，在 fork 函数内部执行 return 语句之前，子进程就已经创建完毕了，那么之后的 return 语句不仅父进程需要执行，子进程也同样需要执行，这就是 fork 函数有两个返回值的原因。

写时拷贝

当子进程刚刚被创建时，子进程和父进程的数据和代码是共享的，即父子进程的代码和数据通过页表映射到物理内存的同一块空间。只有当父进程或子进程需要修改数据时，才将父进程的数据在内存当中拷贝一份，然后再进行修改。

这种在需要时进行数据修改时再进行拷贝的技术，称为写时拷贝技术。

1、为什么数据要进行写时拷贝？

进程具有独立性。多进程运行，需要独享各种资源，多进程运行期间互不干扰，不能让子进程的修改影响到父进程。

2、为什么不在创建子进程的时候就进行数据的拷贝？

子进程不一定会使用父进程的所有数据，并且在子进程不对数据进行写入的情况下，没有必要对数据进行拷贝，我们应该按需分配，在需要修改数据的时候再分配（延时分配），这样可以高效的使用内存空间。

3、代码会不会进行写时拷贝？

90%的情况下是不会的，但这并不代表代码不能进行写时拷贝，例如在进行进程替换的时候，则需要进行代码的写时拷贝。

fork 使用场景

1. 一个进程希望复制自己，使子进程同时执行不同的代码段。例如父进程等待客户端请求，生成子进程来处理请求。
2. 一个进程要执行一个不同的程序。例如子进程从fork返回后，调用exec函数。

fork调用失败的原因

fork函数创建子进程也可能会失败：

1. 系统中有太多的进程，内存空间不足，子进程创建失败。
2. 实际用户的进程数超过了限制，子进程创建失败。

🥥进程终止

进程退出只有三种情况：

1. 代码运行完毕，结果正确。
2. 代码运行完毕，结果不正确。
3. 代码异常终止（进程崩溃）。

进程退出码

我们都知道 main 函数是代码的入口，但实际上 main 函数只是用户级别代码的入口，main函数也是被其他函数调用的，例如在 VS2022 当中 main 函数就是被一个名为__tmainCRTStartup的函数所调用，而__tmainCRTStartup函数又是通过加载器被操作系统所调用的，也就是说 main 函数是间接性被操作系统所调用的。

既然 main 函数是间接性被操作系统所调用的，那么当 main 函数调用结束后就应该给操作系统返回相应的退出信息，而这个所谓的退出信息就是以退出码的形式作为 main 函数的返回值返回，我们一般以 0 表示代码成功执行完毕，以非0表示代码执行过程中出现错误，这就是为什么我们都在main函数的最后返回 0 的原因。

当我们的代码运行起来就变成了进程，当进程结束后 main 函数的返回值实际上就是该进程的进程退出码，我们可以使用echo $?命令查看最近一次进程退出的退出码信息。

例如：

退出码为 0，判断main函数顺利执行完毕。

为什么以0表示代码执行成功，以非0表示代码执行错误？

因为代码执行成功只有一种情况，成功了就是成功了，而代码执行错误却有多种原因，例如内存空间不足、非法访问以及栈溢出等等，我们就可以用这些非0的数字分别表示代码执行错误的原因。

C 语言当中的 strerror 函数可以通过错误码，获取该错误码在C语言当中对应的错误信息：

运行结果：

实际上 Linux 中的 ls、pwd 等命令都是可执行程序，使用这些命令后我们也可以查看其对应的退出码。

但是命令执行错误后，其退出码就是非0的数字，该数字具体代表某一错误信息。

注意： 退出码都有对应的字符串含义，帮助用户确认执行失败的原因，而这些退出码具体代表什么含义是人为规定的，不同环境下相同的退出码的字符串含义可能不同。

进程正常退出

return 退出

在 main 函数中使用 return 退出进程是我们常用的方法。

例如，在main函数最后使用return 0;退出进程。

exit 函数

使用 exit 函数退出进程也是我们常用的方法，exit 函数可以在代码中的任何地方退出进程，并且 exit 函数在退出进程前会做一系列工作：

1. 执行用户通过 atexit 或 on_exit 定义的清理函数。
2. 关闭所有打开的流，所有的缓存数据均被写入。
3. 调用 _exit 函数终止进程。

例如，以下代码中 exit 终止进程前会将缓冲区当中的数据输出。

运行结果：

_exit 函数

使用 _exit 函数退出进程的方法我们并不经常使用，_exit 函数也可以在代码中的任何地方退出进程，但是 _exit 函数会直接终止进程，并不会在退出进程前会做任何收尾工作。

例如，以下代码中使用_exit终止进程，则缓冲区当中的数据将不会被输出。

运行结果：

return VS exit VS _exit

只有在 main 函数当中的 return 才能起到退出进程的作用，子函数当中 return 不能退出进程，而 exit 函数和 _exit 函数在代码中的任何地方使用都可以起到退出进程的作用。

使用 exit 函数退出进程前，exit 函数会执行用户定义的清理函数、冲刷缓冲，关闭流等操作，然后再终止进程，而 _exit 函数会直接终止进程，不会做任何收尾工作。

进程异常退出

情况一：向进程发生信号导致进程异常退出。

例如，在进程运行过程中向进程发生kill -9信号使得进程异常退出，或是使用Ctrl+C使得进程异常退出等。

情况二：代码错误导致进程运行时异常退出。

例如，代码当中存在野指针问题使得进程运行时异常退出，或是出现除 0 的情况使得进程运行时异常退出等。

🍇进程等待

进程等待的必要性

1. 子进程退出，父进程如果不读取子进程的退出信息，子进程就会变成僵尸进程，进而造成内存泄漏。
2. 进程一旦变成僵尸进程，那么就算是kill -9命令也无法将其杀死，因为谁也无法杀死一个已经死去的进程。
3. 对于一个进程来说，最关心自己的就是其父进程，因为父进程需要知道自己派给子进程的任务完成的如何。
4. 父进程需要通过进程等待的方式，回收子进程资源，获取子进程的退出信息。

获取子进程 status

进程等待所使用的两个函数 wait 和 waitpid，都有一个 wstatus 参数，该参数是一个输出型参数，由操作系统进行填充。如果对 wstatus 参数传入 NULL，表示不关心子进程的退出状态信息。否则，操作系统会通过该参数，将子进程的退出信息反馈给父进程。

status 是一个整型变量，作为 wstatus 的指向对象，status 的不同比特位所代表的信息不同，具体细节如下（只研究 status 低 16 比特位）：

在 status 的低 16 比特位当中，高 8 位表示进程的退出状态，即退出码。进程若是被信号所杀，则低 7 位表示终止信号，而第 8 位比特位是 core dump 标志。

我们通过位操作，就可以根据status得到进程的退出码和退出信号。

exitCode = (status >> 8) & 0xFF; // 退出码
exitSignal = status & 0x7F;      // 退出信号

对于此，系统当中提供了两个宏来获取退出码和退出信号：

• WIFEXITED(status)：用于查看进程是否是正常退出，本质是检查是否收到信号。
• WEXITSTATUS(status)：用于获取进程的退出码。

exitNormal = WIFEXITED(status);  // 是否正常退出
exitCode = WEXITSTATUS(status);  // 获取退出码

当一个进程非正常退出时，说明该进程是被信号所杀，那么该进程的退出码也就没有意义了。

进程等待的方法

wait

函数原型：pid_t wait(int *wstatus);

作用：等待任意子进程。

返回值：等待成功返回被等待进程的 pid，等待失败返回 -1。

参数：输出型参数，获取子进程的退出状态，不关心可设置为 NULL。

写简单理解：创建子进程后，父进程可使用 wait 函数一直等待子进程，直到子进程退出后读取子进程的退出信息。

#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)
    {
        // child
        int count = 10;
        while (count--)
        {
            printf("I am child...PID:%d, PPID:%d\n", getpid(), getppid());
            sleep(1);
        }
        exit(0);
    }
    // father
    int status = 0;
    pid_t ret = wait(&status);
    if (ret > 0)
    {
        // wait success
        printf("wait child successfully...\n");
        if (WIFEXITED(status))
        {
            // exit normal
            printf("exit code:%d\n", WEXITSTATUS(status));
        }
    }
    sleep(3);
    return 0;
}

我们可以使用以下监控脚本对进程进行实时监控：

while : ; do ps axj | head -1 && ps axj | grep proc | grep -v grep; echo "#######################################################################"; sleep 1; done;

我们可以看到，当子进程退出后，父进程读取了子进程的退出信息，等待成功，子进程也就不会变成僵尸进程了。

waitpid

函数原型：pid_t waitpid(pid_t pid, int *wstatus, int options);

作用：等待指定子进程或任意子进程。

返回值：

1. 等待成功返回被等待进程的 pid。
2. 如果设置了选项 WNOHANG，而调用中 waitpid 发现没有已退出的子进程可收集，则返回 0。
3. 如果调用中出错，则返回 -1，这时 errno 会被设置成相应的值以指示错误所在。

参数：

1. pid：待等待子进程的 pid，若设置为 -1，则等待任意子进程。
2. status：输出型参数，获取子进程的退出状态，不关心可设置为 NULL。
3. options：当设置为 WNOHANG 时，若等待的子进程没有结束，则 waitpid 函数直接返回 0，不予以等待。若正常结束，则返回该子进程的 pid。

写简单理解：创建子进程后，父进程可使用 waitpid 函数一直等待子进程（此时将 waitpid 的第三个参数设置为 0），直到子进程退出后读取子进程的退出信息。

#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)
    {
        // child
        int count = 10;
        while (count--)
        {
            printf("I am child...PID:%d, PPID:%d\n", getpid(), getppid());
            sleep(1);
        }
        exit(0);
    }
    // father
    int status = 0;
    pid_t ret = waitpid(id, &status, 0);
    if (ret >= 0)
    {
        // wait success
        printf("wait child successfully...\n");
        if (WIFEXITED(status))
        {
            // exit normal
            printf("exit code:%d\n", WEXITSTATUS(status));
        }
        else
        {
            // signal killed
            printf("killed by siganl %d\n", status & 0x7F);
        }
    }
    sleep(3);
    return 0;
}

在父进程运行过程中，我们可以尝试使用kill -9命令将子进程杀死，这时父进程也能等待子进程成功。

注意：被信号杀死而退出的进程，其退出码将没有意义。

多进程创建以及等待的代码模型

上面演示的都是父进程创建以及等待一个子进程的例子，实际上我们还可以同时创建多个子进程，然后让父进程依次等待子进程退出，这叫做多进程创建以及等待的代码模型。

代码实现：以下代码中同时创建了 10 个子进程，同时将子进程的 pid 放入到 ids 数组当中，并将这 10 个子进程退出时的退出码设置为该子进程 pid 在数组 ids 中的下标，之后父进程再使用 waitpid 函数指定等待这 10 个子进程。

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/wait.h>
int main()
{
    pid_t ids[10];
    for (int i = 0; i < 10; i++)
    {
        pid_t id = fork();
        if (id == 0)
        {
            // child
            printf("child process created successfully...PID:%d\n", getpid());
            sleep(3);
            exit(i); // 将子进程的退出码设置为该子进程PID在数组ids中的下标
        }
        // father
        ids[i] = id;
    }
    for (int i = 0; i < 10; i++)
    {
        int status = 0;
        pid_t ret = waitpid(ids[i], &status, 0);
        if (ret >= 0)
        {
            // wait child success
            printf("wait child successfully...PID:%d\n", ids[i]);
            if (WIFEXITED(status))
            {
                // exit normal
                printf("exit code:%d\n", WEXITSTATUS(status));
            }
            else
            {
                // signal killed
                printf("killed by signal %d\n", status & 0x7F);
            }
        }
        else
        {
            printf("wait fail!\n");
            exit(1);
        }
    }
    return 0;
}

运行代码，可以看到父进程同时创建多个子进程，当子进程退出后，父进程再依次读取这些子进程的退出信息。

基于非阻塞接口的轮询检测方案

上述所给例子中，当子进程未退出时，父进程都在一直等待子进程退出，在等待期间，父进程不能做任何事情，这种等待叫做阻塞等待。

实际上我们可以让父进程不要一直等待子进程退出，而是当子进程未退出时父进程可以做一些自己的事情，当子进程退出时再读取子进程的退出信息，即非阻塞等待。

做法J就是向 waitpid 函数的第三个参数 potions 传入 WNOHANG，这样等待的子进程若是没有结束，那么 waitpid 函数将直接返回 0，不予以等待。而等待的子进程若是正常结束，则返回该子进程的 pid。

代码理解：父进程可以隔一段时间调用一次 waitpid 函数，若是等待的子进程尚未退出，则父进程可以先去做一些其他事，过一段时间再调用 waitpid 函数读取子进程的退出信息。

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/wait.h>
int main()
{
    pid_t id = fork();
    if (id == 0)
    {
        // child
        int count = 3;
        while (count--)
        {
            printf("child do some things...PID:%d, PPID:%d\n", getpid(), getppid());
            sleep(3);
        }
        exit(0);
    }
    // father
    while (1)
    {
        int status = 0;
        pid_t ret = waitpid(id, &status, WNOHANG);
        if (ret > 0)
        {
            printf("wait child successfully...\n");
            printf("exit code:%d\n", WEXITSTATUS(status));
            break;
        }
        else if (ret == 0)
        {
            printf("father do other things...\n");
            sleep(1);
        }
        else
        {
            printf("waitpid error...\n");
            break;
        }
    }
    return 0;
}

运行代码，父进程每隔一段时间就去查看子进程是否退出，若未退出，则父进程先去忙自己的事情，过一段时间再来查看，直到子进程退出后读取子进程的退出信息。

🍈进程程序替换

替换原理

用 fork 创建子进程后，子进程执行的是和父进程相同的程序（但有可能执行不同的代码分支），若想让子进程执行另一个程序，往往需要调用一种 exec 函数。

当进程调用一种 exec 函数时，该进程的用户空间代码和数据完全被新程序替换，并从新程序的启动例程开始执行。

当进行进程程序替换时，有没有创建新的进程？

进程程序替换之后，该进程对应的 PCB、进程地址空间以及页表等数据结构都没有发生改变，只是进程在物理内存当中的数据和代码发生了改变，所以并没有创建新的进程，而且进程程序替换前后该进程的 pid 并没有改变。

子进程进行进程程序替换后，会影响父进程的代码和数据吗？

子进程刚被创建时，与父进程共享代码和数据，但当子进程需要进行进程程序替换时，也就意味着子进程需要对其数据和代码进行写入操作，这时便需要将父子进程共享的代码和数据进行写时拷贝，此后父子进程的代码和数据也就分离了，因此子进程进行程序替换后不会影响父进程的代码和数据。

替换函数

替换函数有六种以 exec 开头的函数，它们统称为 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[]);

execl

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

• path：指向要执行的程序的文件路径的指针。
• arg：指向第一个参数（通常是程序名）的指针。随后的参数（如果有的话）应该通过可变参数列表提供，最后一个参数必须是 NULL，用于标记参数列表的结束。

注：execl 不接受环境变量数组，因此新程序将继承调用进程的环境变量。

函数的行为：

• execl 函数调用成功后不会返回，而是用新的程序替换当前进程的映像。如果调用成功，新程序从 main 函数开始执行，并且 main 函数的参数将是 execl 提供的参数。
• 如果调用失败，execl 将返回 -1，并设置 errno 以指示错误类型。

例如，要执行的是ls程序：

execl("/usr/bin/ls", "ls", "-a", "-i", "-l", NULL);

execlp

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

• file：指向要执行的程序的名称（不需要完整路径）的指针。execlp 会在 PATH 环境变量指定的目录中搜索这个程序。
• arg：指向第一个参数（通常是程序名，但在这种情况下，由于 execlp 会自动搜索 PATH，所以你可以再次提供 file 参数或者提供一个不同的字符串作为程序名的占位符，尽管这通常是不必要的）的指针。随后的参数（如果有的话）应该通过可变参数列表提供，最后一个参数必须是 NULL，用于标记参数列表的结束。

函数的行为：

• execlp 函数调用成功后不会返回，而是用新的程序替换当前进程的映像。如果调用成功，新程序从 main 函数开始执行，并且 main 函数的参数将是 execlp 提供的参数。
• 如果调用失败，execlp 将返回 -1，并设置 errno 以指示错误类型。

例如，要执行的是 ls 程序：

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

execle

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

• path：指向要执行的程序的文件路径的指针。这通常是程序的完整路径，或者是环境变量 PATH 中列出的目录中的程序名。
• arg：指向第一个参数（通常是程序名）的指针。随后的参数（如果有的话）应该通过可变参数列表提供，最后一个参数必须是 NULL，用于标记参数列表的结束。
• ...：这是一个可变参数列表，用于传递给新程序的命令行参数。这些参数必须以 NULL 结尾。
• envp：指向一个环境变量数组的指针，数组中的每个元素都是一个以 '\0' 结尾的字符串，形式为 name=value。数组的最后一个元素必须是 NULL。如果 envp 是 NULL，则新程序将继承调用进程的环境变量。

函数的行为：

• execle 函数调用成功后不会返回，而是用新的程序替换当前进程的映像。如果调用成功，新程序从 main 函数开始执行，并且 main 函数的参数将是 execle 提供的参数和环境变量。
• 如果调用失败，execle 将返回 -1，并设置 errno 以指示错误类型。

例如，你设置了 MYVAL 环境变量，在 mycmd 程序内部就可以使用该环境变量:

char* myenvp[] = { "MYVAL=666", NULL };
execle("./mycmd", "mycmd", NULL, myenvp);

execv

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

• path：指向要执行的程序的文件路径的指针。
• argv：指向参数向量的指针。参数向量是一个数组，其中第一个元素通常是要执行的程序名（尽管它可以是任何字符串，因为新程序不会使用这个值，而是使用它自己的程序名），随后的元素是传递给新程序的参数，最后一个元素必须是 NULL，用于标记参数列表的结束。

函数的行为：

• execv 函数调用成功后不会返回，而是用新的程序替换当前进程的映像。如果调用成功，新程序从 main 函数开始执行，并且 main 函数的参数将是 execv 提供的参数向量。
• 如果调用失败，execv 将返回 -1，并设置 errno 以指示错误类型。

例如，要执行的是 ls 程序：

char *const argv[] = { "ls", "-a", "-i", "-l", NULL };
execv("/usr/bin/ls", myargv);

execvp

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

• file：指向要执行的程序的名称（不需要完整路径）的指针。execvp 会在 PATH 环境变量指定的目录中搜索这个程序。
• argv：指向参数向量的指针。参数向量是一个数组，其中第一个元素通常是要执行的程序名（尽管在这个上下文中它会被忽略，因为 execvp 会使用它自己在 PATH 中找到的程序名），随后的元素是传递给新程序的参数，最后一个元素必须是 NULL，用于标记参数列表的结束。

函数的行为：

• execvp 函数调用成功后不会返回，而是用新的程序替换当前进程的映像。如果调用成功，新程序从 main 函数开始执行，并且 main 函数的参数将是 execvp 提供的参数向量（尽管程序名会被忽略）。
• 如果调用失败，execvp 将返回 -1，并设置 errno 以指示错误类型。

例如，要执行的是ls程序。

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

execve

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

• path：指向要执行的程序的文件路径的指针。这个路径必须是完整的，或者是一个相对于当前工作目录的路径。
• argv：指向参数向量的指针。参数向量是一个数组，其中第一个元素通常是要执行的程序名（尽管新程序不会使用这个值，而是使用它自己的程序名），随后的元素是传递给新程序的参数，最后一个元素必须是 NULL，用于标记参数列表的结束。
• envp：指向环境变量数组的指针。环境变量数组也是一个以 NULL 结尾的字符串数组，其中每个字符串都是一个“name=value”对。这些环境变量将被传递给新程序。

函数的行为：

• execve 函数调用成功后不会返回，而是用新的程序替换当前进程的映像。如果调用成功，新程序从 main 函数开始执行，并且 main 函数的参数将是 execve 提供的参数向量和环境变量数组。
• 如果调用失败，execve 将返回 -1，并设置 errno 以指示错误类型。

例如，你设置了 MYVAL 环境变量，在 mycmd 程序内部就可以使用该环境变量。

char* myargv[] = { "mycmd", NULL };
char* myenvp[] = { "MYVAL=666", NULL };
execve("./mycmd", myargv, myenvp);

命名理解

这六个exec系列函数的函数名都以exec开头，其后缀的含义如下：

• l(list)：表示参数采用列表的形式，一一列出。
• v(vector)：表示参数采用数组的形式。
• p(path)：表示能自动搜索环境变量PATH，进行程序查找。
• e(env)：表示可以传入自己设置的环境变量。

事实上，只有 execve 才是真正的系统调用，其它五个函数最终都是调用的 execve，所以 execve 在 man 手册的第 2 区段（系统调用接口），而其它五个函数在 man 手册的第 3 区段（C库函数），也就是说其他五个函数实际上是对系统调用 execve 进行了封装，以满足不同用户的不同调用场景的。

下图为 exec 系列函数族之间的关系：

🍉做一个简易 Shell

Shell 也就是命令行解释器，其运行原理就是：当有命令需要执行时，Shell 创建子进程，让子进程执行命令，而 Shell 只需等待子进程退出即可。

Shell 实现逻辑：

1. 打印提示符
2. 获取用户指令字符
3. 解析拆分指令字符
4. 创建子进程
5. 替换子进程执行指令
6. 等待子进程退出
7. 循环上述步骤

说明：这里为了加深理解，我们对内建命令进行了自己的实现，当然也可以无脑丢给子进程然后替换系统进程执行。

代码如下：

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

#define NUM 1024
#define SIZE 64

const char *seq = " ";
char cwd[1024];
char enval[1024];
int lastcode = 0;

const char *GetUserName()
{
    const char *uname = getenv("USERNAME");
    if (uname)
        return uname;
    else
        return NULL;
}

const char *GetPWD()
{
    const char *pwd = getenv("PWD");
    if (pwd)
        return pwd;
    else
        return NULL;
}

int GetUserCommand(char *usercommand, int len)
{
    printf("%s@Machine:%s$ ", GetUserName(), GetPWD());
    char *r = fgets(usercommand, len, stdin); // 包括'\n'
    if (!r)
        return -1;
    // "abcd\n" strlen=5 u[5-1=4] = '\n'
    usercommand[strlen(usercommand) - 1] = '\0'; // 覆盖'\n'
    return strlen(usercommand);
}

void CommandSplit(char *usercommand, char *argv[])
{
    int argc = 0;
    argv[argc++] = strtok(usercommand, seq);

    while (argv[argc++] = strtok(NULL, seq))
        ;
    // debug
    // for(int i = 0; argv[i]; i++)
    // {
    //     printf("%d:%s\n", i, argv[i]);
    // }
}

char *GetHomePath()
{
    char *hpath = getenv("HOME");
    if (hpath)
        return hpath;
    else
        return NULL;
}

void cd(const char *path)
{
    chdir(path);
    char tmp[1000];
    getcwd(tmp, sizeof(tmp));
    sprintf(cwd, "PWD=%s", tmp);
    putenv(cwd);
}

int DoBulidIn(char *argv[])
{
    if (strcmp(argv[0], "cd") == 0)
    {
        char *path = NULL;
        if (argv[1] == NULL)
            path = GetHomePath();
        else
            path = argv[1];
        cd(path);
        return 1;
    }
    else if (strcmp(argv[0], "export") == 0)
    {
        if (argv[1] == NULL)
            return 1;
        strcpy(enval, argv[1]);
        putenv(enval);
        return 1;
    }
    else if (strcmp(argv[0], "echo") == 0)
    {
        if (argv[1] == NULL)
            return 1;
        if (argv[1][0] == '$' && strlen(argv[1]) > 1)
        {
            char *val = argv[1] + 1;
            if (strcmp(val, "?") == 0) // $?
            {
                printf("%d\n", lastcode);
                lastcode = 0;
            }
            else // $PATH $HOME ......
            {
                const char *enval = getenv(val);
                if (enval)
                    printf("%s\n", enval);
                else
                    printf("\n");
            }
        }
        else
        {
            printf("%s\n", argv[1]);
        }
        return 1;
    }
    else if (0)
    {
    }

    return 0;
}

int Execute(char *argv[])
{
    pid_t id = fork();
    if (id < 0)
        return -1;
    else if (id == 0)
    {
        // 子进程
        execvp(argv[0], argv);
        exit(1);
    }
    else
    {
        // 父进程
        int status = 0;
        pid_t rid = waitpid(id, &status, 0);
        if (rid > 0)
        {
            if (WIFEXITED(status))
            {
                lastcode = WEXITSTATUS(status);
            }
        }
        else
        {
            // printf("wait fail, error!\n"); // debug
        }
    }
    return 0;
}

int main()
{
    while (1)
    {
        char usercommand[NUM];
        char *argv[SIZE];
        // 1. 打印提示符&&获取用户指令字符串获取成功
        int n = GetUserCommand(usercommand, sizeof(usercommand));
        if (n <= 0)
            continue;
        // 2. 分割字符串
        // "ls -a -l" -> "ls" "-a" "-l"
        CommandSplit(usercommand, argv);
        // 3. check build-in command
        n = DoBulidIn(argv);
        if (n)
            continue;
        // 4. 执行对应的指令
        Execute(argv);
    }
    return 0;
}

效果展示：