Linux：进程替换

Au_ust2024-08-20 11:06

什么是进程替换？

我们的可执行程序，在运行起来的时候就上一个进程

一个进程就会有他的内核数据结构+代码和数据

把一个已经成型的进程的代码和数据替换掉，这就叫进程替换

也就是可以通过系统调用把当前进程替换位我们需要的进程

那么替换后，会创建一个新进程吗？

不会，只是在旧进程的壳子执行新进程；替换进程后，之前的代码不会执行，因为已经被替换了

进程怎样替换？

进程替换是需要接口函数的，总不能什么都没有直接替换吧

来看看都有什么：

上图的【int execl(const char *pfin,"const char *arg, ...);】这种后面的省略号，是指参数可变

来举个栗子捏：

test1.c

#include<stdio.h>
#include<unistd.h>
 
int main()
{
    printf("test1.c ... begin!\n");
 
    execl("/usr/bin/ls", "ls", "-l", "-a", NULL);
 
    printf("test1.c ... end!\n");
    return 0;
}

makefile:

test1.out:test1.c
	gcc -o $@ $^
.PHONY:clean
clean:
	rm -f test1.out

解释一下：就是把我们本来的代码通过execl来执行execl引用的程序，成为替换的新进程

替换的过程？

而execl的返回值我们并不关心，因为一旦替换成功，就不会向后继续运行旧进程了

而只要继续运行旧进程，那就一定是替换失败了

所以我们的替换接口函数只有失败返回值，没有成功返回值

替换的过程本质上是把这个新程序加载到内存上

一个程序怎样加载到内存上呢？

别忘了exec*！它类似一种Linux上的加载函数，做的是从外设拷贝到内存是操作系统的活

多进程版的进程替换

将代码改成多进程版就是fork创建子进程，让子进程自己替换，父进程只需要等待就好了

也就是说这里被替换的是子进程捏，父进程还在等待

test1.c

#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)
    {
        printf("exec begin\n");
        //进程替换
        execl("/usr/bin/ls", "ls", "-al", NULL);
        printf("exec end\n");
        exit(0);
    }
    int rid = waitpid(id, NULL, WUNTRACED);
 
    if(rid > 0)
    {
        printf("wait success\n");
    }
 
    return 0;
}

makefile:

test1.out:test1.c
	gcc -o $@ $^
.PHONY:clean
clean:
	rm -f test1.out

解释一下：我们在if(rid==0)分支里，先打印了一下，然后进入我们的接口，接口里是我们的ls命令，我们ls命令也是文件，也是C语言写的，我们平时执行命令也是执行该程序，所以可以在接口里替换为ls命令

这样就是替换成功了

我们刚刚说了替换失败会继续执行原进程，来看看吧：

#include<stdio.h>
#include<unistd.h>
#include<stdlib.h>
#include<sys/types.h>
#include<sys/wait.h>
 
int main()
{
    printf("test1.c ... begin!\n");
 
    pid_t id = fork();
 
    if (id == 0)
    {
        sleep(2);
        execl("/usr/bin/lsss", "lsss", "-l", "-a", NULL);
        printf("替换失败捏");
        exit(1);
    }
 
    int status = 0;
    pid_t rid = waitpid(id, &status, 0);
    if (rid > 0)
    {
        printf("father wait success,child exit code:%d\n",WEXITSTATUS(status));
    }
    printf("test1.c ... end!\n");
    return 0;
}

你看，没执行execl里面的程序

以前创建子进程让它完成任务，是让子进程执行父进程代码的一部分，现如今可以让子进程执行一个全新的程序

进程有对应的数据和代码，创建子进程会有新的地址空间和页表；替换本身就是覆盖，子进程在数据 部分进行写时拷贝，当执行新程序的时候新程序也要进行写时拷贝，所以此后父子间几乎完全独立（本来数据和代码是继承父进程的，现在是全新的了）

来仔细介绍一下我们的替换接口函数：

这些函数的前四个字母都是exec，后面跟着的：

p: 表示自动搜索路径；e: 表示自己维护环境变量；l:表示采用列表传参；v:表示采用数组传参；

execl

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

l就是list(列表），传参数列表

剩下的**...**带选项，在命令行中怎样写命令的参数，就怎么写（下图有例子捏）结束时传NULL

路径表明我们想要执行谁 ，后面的选项表示我们想要怎样执行

execv

v是vector的意思，动态数组

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

前面的参数是路径，后面的参数是指针数组，execl 的是可变参数，execv的传参需要传指针数组指针数组是自己写的

execvp

带p的意思就是用户可以不用传要执行文件的路径（但要传文件名）

char *const argv[] = {"ps", "-ef", NULL};
execvp("ps", argv);

那它是怎么做到的呢？

别忘了p是可以自己搜路径，在环境变量里搜路径

execlp

就是采用列表传参，但是不用输路径

execlp("ps", "ps", "-ef", NULL);
execvpe

execvpe

带e的需要自己组装环境变量

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

以替换 "ls -al" 为例，示例一下剩余接口：

//l代表传参数列表，分成一个个字符串传
execl("/usr/bin/ls", "ls", "-al", NULL);
 
//p表示系统会去PATH环境变量中找
execlp("ls", "ls", "-al", NULL);
 
//v代表传数组，把命令分成字符串，放进字符串数组里，一起传
char* argv[] = {"ls", "-al", NULL};
execv("/usr/bin/ls", argv);

替换自己写的进程

刚刚我们引用了系统的进程，我们也可以引用我们自己写的程序

下面就来替换段C++代码（文件后缀： .cpp ， .cc ，.cxx）

来先写一个自己的程序：

#include<iostream>
 
using namespace std;
 
int main()
{
	cout << "hello C++!" << endl;
	cout << "hello C++!" << endl;
	cout << "hello C++!" << endl;
	cout << "hello C++!" << endl;
	return 0;
}

然后再也一个父进程：

#include<stdio.h>
#include<unistd.h>
#include<stdlib.h>
#include<sys/types.h>
#include<sys/wait.h>
 
int main()
{
	printf("test1.c ...begin!\n");
 
	pid_t id = fork();
	if (id == 0)
	{
		sleep(2);
		execl("./mypragma", "mypragma", NULL);
		exit(1);
	}
 
	int status = 0;
	pid_t rid = waitpid(id, &status, 0);
	if (rid > 0)
	{
		printf("father wait success,child exit code:%d\n", WEXITSTATUS(status));
	}
	printf("test1.c ... end!\n");
	return 0;
}

tips：别忘了makefile默认是从上到下形成可执行程序，所以第一个要是主程序，其他的依赖程序依次往下排哦

.PHONY:all
all:testexec mypragma
 
mypragma:mypragma.cc
        g++ -o $@ $^ -std=c++11
 
testexec:testexec.c
        gcc -o $@ $^
.PHONY:clean
clean:
        rm -f testexec mypragma

来看看：

程序替换并未形成新进程，我们来验证一下：

test1.c:

#include<stdio.h>
#include<unistd.h>
#include<stdlib.h>
#include<sys/types.h>
#include<sys/wait.h>
 
int main()
{
	printf("test1.c ...begin!\n");
 
	pid_t id = fork();
	if (id == 0)
	{ printf("i am a process,pid:%d\n",getpid());
		sleep(2);
		execl("./mypragma", "mypragma", NULL);
		exit(1);
	}
 
	int status = 0;
	pid_t rid = waitpid(id, &status, 0);
	if (rid > 0)
	{
		printf("father wait success,child exit code:%d\n", WEXITSTATUS(status));
	}
	printf("test1.c ... end!\n");
	return 0;
}

mypragma.cpp

#include<iostream>
#include<unistd.h>
#include<stdlib.h>
#include<sys/types.h>
#include<sys/wait.h>
using namespace std;
 
int main()
{
  printf("i am a new process,pid:%d\n",getpid());
  cout << "hello C++!" << endl;
	cout << "hello C++!" << endl;
	cout << "hello C++!" << endl;
	cout << "hello C++!" << endl;
	return 0;
}

看，这两个进程pid是一样的

自己组装环境变量

我们刚刚说环境变量可以自己组装，来引用

看看吧：

test1.c:

#include<stdio.h>
#include<unistd.h>
#include<stdlib.h>
#include<sys/types.h>
#include<sys/wait.h>
 
int main()
{
	printf("test1.c ...begin!\n");
 
	pid_t id = fork();
	if (id == 0)
	{
		sleep(2);
		char *const argv[] = { (char*)"mypragma",NULL };
		char* const envp[] = { (char*)"LIKE=521",(char*)"LOVE=1314",NULL };
		execvpe("./mypragma", argv, envp);
		exit(1);
	}
 
	int status = 0;
	pid_t rid = waitpid(id, &status, 0);
	if (rid > 0)
	{
		printf("father wait success,child exit code:%d\n", WEXITSTATUS(status));
	}
	printf("test1.c ... end!\n");	return 0;
}

mypragma.cpp:

#include<iostream>
 
using namespace std;
 
int main(int argc,char *argv[],char *env[])
{
	int i = 0;
	for (; argv[i]; i++)
	{
		printf("argv[%d]: %s\n", i, argv[i]);
	}
 
	printf("-------------------------------\n");
 
	for (i = 0; env[i]; i++)
	{
		printf("env[%d]: %s\n", i, env[i]);
	}
 
	printf("-------------------------------\n");
 
	cout << "hello C++!" << endl;
	cout << "hello C++!" << endl;
	cout << "hello C++!" << endl;
	cout << "hello C++!" << endl;
	return 0;
}

哦？

父进程本身自己的环境变量，来自于父进程的父进程：bash

你也可以用全新的环境变量，也可以用修改后的环境变量：使用putenv()

往进程加环境变量: putenv() ，程序替换不会替换环境变量，我们可以通过带e的接口函数（例如execpe()）设置新的环境变量，这会覆盖原本的环境变量。

用法：

#include<stdio.h>
#include<unistd.h>
#include<stdlib.h>
#include<sys/types.h>
#include<sys/wait.h>
int main()

{

char *p;

if((p = getenv("USER")))

printf("USER =%s\n", p);

putenv("USER=test");

printf("USER+5s\n", getenv("USER"));

}

这些都是：

#include <unistd.h>`
 
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[]);

tips：只有execve是真正的系统调用,其它五个函数最终都调用 execve（execve在man手册第2节,其它函数在man手册第3节）

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