【Linux系统编程】程序替换：execve（execl、execlp、execle、execv、execvp、execvpe）

Jm_洋洋2025-10-24 14:54

文章目录

前言

在现代操作系统中，进程是执行程序的基本单位，每个进程拥有独立的地址空间、代码和数据。当一个程序正在运行时，有时我们希望它能够"脱胎换骨"，从自身变成另一个程序------这就是程序替换（Process Replacement）的概念。在 Unix/Linux 系统中，这种能力被 exec 系列函数实现，它允许一个进程在原地加载并执行新的可执行文件，而无需创建新进程，从而节省资源并保持进程的身份标识（PID）不变。

exec系列函数关系图

lua 复制代码 
                  +--> execl()  ------  参数用列表
                  |
 execve()  <------+--> execv()  ------  参数用数组
                  |
                  +--> execlp() ------ 查 PATH
                  |
                  +--> execvp() ------ 查 PATH，参数用数组
                  |
                  +--> execle() ------ 自定义环境
                  |
                  +--> execvpe() ------ 查 PATH + 自定义环境
  • 返回值：成功则不返回（当前程序被覆盖）；失败返回-1
  • exec*系列函数都是对系统调用接口execve()的封装 ，封装函数的形参中未实现的则使用系统默认的值；
    • 例如： execve 接口的参数有pathname、argv、envp；execl 的形参只有两个，path和argv；那么一个进程的程序数据使用execl 替换后，在替换的程序中访问argv，那就是我显示传入的形参argv的值，
      但是如果访问envp，那么就是系统默认传入的envp值(environ指向的环境变量)；
  • 函数的命名规律：exec[l|v][p][e]
    • l:list（可变参数列表）
    • v:vector（数组）
    • p:path（PATH查找）
    • e:environ(自定义环境)

程序替换的原理

  1. ++可执行文件=代码+数据++
  2. 在一个进程在执行exec*替换函数时，会将当前进程的代码段、数据段、堆、栈都被清空，并初始化新的堆、栈（argv,envp）、数据和代码内容；
  3. 程序替换会将当前进程的代码和数据替换为其他文件的代码数据，所以我们一般会创建一个子进程，将其他文件的代码和数据替换到子进程中，进而不影响父进程的正常运行；

函数的介绍及使用

execl( )

函数原型： int execl(const char *path, const char *arg, ... /* (char *) NULL */);
参数说明：

  • path：文件的绝对路径
  • arg：可变参数列表（最后以NULL结尾，表示参数传入完毕）

代码示例：

c 复制代码 
#include <unistd.h>
#include <stdio.h>

int main() {
	printf("当前程序开始运行......\n");
	if(fork()==0)
	{
		execl("/usr/bin/ls","ls","-l","-a",NULL);
		exit(1);//如果返回并继续向下执行，说明替换失败，直接退出；
	}
	waitpid(-1,NULL,0);//进程等待
	printf("当前程序停止运行......\n");
}

执行结果：

execlp()

再execl基础上不仅可以通过文件名方式（环境变量PATH）查找还可以通过绝对路径的方式查找

原型 ：int execlp(const char *file, const char *arg, .../* (char *) NULL */);
参数说明：

  • file：文件名或文件绝对路径；
  • arg：可变参数列表（最后以NULL结尾，表示参数传入完毕）

代码示例：（与execl基本相同）

c 复制代码 
execlp("ls","ls","-l","-a",NULL);

execle()

指定文件绝对路径，自定义环境变量

原型： int execle(const char *path, const char *arg, .../*, (char *) NULL, char * const envp[] */);

参数说明：

  • path：文件绝对路径
  • arg：可变参数列表
  • envp：自定义的环境变量（注意：必须写在NULL的后面）

代码示例：

c 复制代码 
//test.c
#include <sys/wait.h>
#include <unistd.h>
#include <stdio.h>

int main() {
	printf("当前程序开始运行......\n");

	if(fork()==0)
	{
		printf("hello test,child pid:%d\n",getpid());
		char* env[]={	//自定义环境变量
			"PATH=/learn/linux/leason15",
			NULL
		};
		execle("proc","./proc",NULL,env);
	}
	waitpid(-1,NULL,0);
	printf("当前程序停止运行......\n");
	return 0;
}
c 复制代码 
//proc.c
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>

int main(int argc,char* argv[],char* env[])
{
	printf("hello proc,child pid:%d\n",getpid());
	for(int i=0;env[i];i++)
		printf("env:%s\n",env[i]);
    
	return 0;
}

运行结果：

  • 这里可以看到test.c的子进程将proc文件进行替换；并在替换前和替换后输出PID，可以证明程序替换后确实没有创建新的进程；

execv()

指定绝对路径，自定义命令行参数

原型： int execv(const char *path, char *const argv[]);
参数说明：

  • path：文件绝对路径
  • argv： 自定义命令行参数
    • （指针数组，数组与系统命令行参数格式相同，最后一个参数为NULL；可看作可变参数列表)

代码示例：

c 复制代码 
#include <sys/wait.h>
#include <unistd.h>
#include <stdio.h>

int main() {

	printf("当前程序开始运行......\n");

	if(fork()==0)
	{
		char* argv[]={"ls","-l",NULL};
		execv("/usr/bin/ls",argv);	
	}
	waitpid(-1,NULL,0);
	printf("当前程序停止运行......\n");
	return 0;
}

运行结果 :

execvp(）

与execv基本相同，唯一不同的是 可以通过文件名(PATH环境变量)的方式查找文件；

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

参数说明：

  • file：要执行文件名/绝对路径
  • argv： 自定义命令行参数

代码示例:

c 复制代码 
#include <sys/wait.h>
#include <unistd.h>
#include <stdio.h>

int main() {

	printf("当前程序开始运行......\n");

	if(fork()==0)
	{
		char* argv[]={"ls","-l",NULL};
		execvp("ls",argv);	//通过PATH查询
	}
	waitpid(-1,NULL,0);
	printf("当前程序停止运行......\n");
	return 0;
}

execvpe()

相当于execvp和execle的结合版；

原型： int execvpe(const char *file, char *const argv[],char *const envp[]);
参数说明：

  • file：要执行文件名/绝对路径
  • argv： 自定义命令行参数
  • envp：自定义环境变量

代码示例：

c 复制代码 
//test.c
#include <sys/wait.h>
#include <unistd.h>
#include <stdio.h>

int main() {

	printf("当前程序开始运行......\n");

	if(fork()==0)
	{
		char* argv[]={"-a","-b","-c",NULL};
		char* envp[]={
			"PATH=/1/2/3",
			"NAME=YANG",
			NULL
		};
		execvpe("./proc",argv,envp);	
	}
	waitpid(-1,NULL,0);
	printf("当前程序停止运行......\n");
}
c 复制代码 
//proc.c
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>

int main(int argc,char* argv[],char* env[])
{
	printf("hello proc,child pid:%d\n",getpid());
	for(int i=0;env[i];i++)
		printf("env:%s\n",env[i]);

    printf("argv:");
	for(int i=0;argv[i];i++)
		printf("%s ",argv[i]);
	printf("\n");
	return 0;
}

运行结果：

execve（系统调用）

前面的六个程序替换函数底层都是调用的execve接口；这里execve函数的参数和前面替换函数的用法相同，这里就简单说明每个参数的含义即可，了解完前面的函数自然就会使用这个函数接口

函数原型： int execve(const char *pathname, char *const argv[], char *const envp[]);

参数说明：

  • pathname：文件的绝对路径
  • argv[]：命令行参数数组（最后以 NULL 结束）
  • envp[]：环境变量数组（同样以 NULL 结束）

拓展

putenv

作用： 把指定的字符串指针直接放入进程的环境变量表（char** environ）中
返回值：

  • 成功返回 0
  • 失败返回 非 0（通常是内存不足）

参数：
string:字符串 （是一个形如 "NAME=VALUE" 的字符串）

特点： 直接将你传入的指针地址放到当前进程的环境变量表中；（也就意味着后续你如果修改这段字符串的内容，环境变量中的这个值也会随之改变）

在使用程序替换函数中envp参数时，都是我们自定义的；但是这里会有一个小问题：

  • 在我们还没对一个进程中的代码数据进行替换时，它的环境变量等参数都是从父进程继承下来的，也就是系统原本的环境变量，当我们传入自定义的envp参数之后，系统的环境变量表中的值也会被全部替换，在实际情况中，系统的环境变量中的参数我们也需要用到，自定义的环境变量参数也要用到；所以这里就需要用putenv函数来将我们自定义的环境变量参数插入到系统的环境变量表中，这样就不会覆盖掉原本的环境变量了；
  • char** environ参数： 全局变量，指向当前进程的环境变量表；
  • 自定义的环境变量传给envp时，我们就可以通过putenv将自定义环境变量中的值插入到environ的后面，就不会改变当前进程原有的环境变量了；

代码示例：

c 复制代码 
//test.c
#include <sys/wait.h>
#include <unistd.h>
#include <stdio.h>

int main() {

	printf("当前程序开始运行......\n");

	if(fork()==0)
	{
		char* argv[]={"-a","-b","-c",NULL};
		char* envp[]={
			"TEST_PATH=/1/2/3",//避免与进程环境变量中的PATH重名，导致PATH的value值
			"NAME=YANG",
			NULL
		};
		extern char** environ; 
		for(int i=0;envp[i];i++)
			putenv(envp[i]);	//将自定义环境变量中的值插入到当前进程的环境变量中
		execvpe("./proc",argv,environ);	//最后envp参数直接传入当前进程的环境变量environ
	}
	waitpid(-1,NULL,0);
	printf("当前程序停止运行......\n");
	return 0;
}
c 复制代码 
//proc.c
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>

int main(int argc,char* argv[],char* env[])
{
	for(int i=0;env[i];i++)
		printf("env:%s\n",env[i]);

    printf("argv:");
	for(int i=0;argv[i];i++)
		printf("%s ",argv[i]);
	printf("\n");
	return 0;
}

运行结果:

setenv / unsetenv

setenv和putenv的作用基本相同；

在底层setenv会在堆上重新分配environ的空间并拷贝字符串，将参数设置（插入）到拷贝后的空间中；之后我们如果修改原来的字符串并不会影响到环境变量中的参数，相对putenv更加的安全，只是不断的拷贝性能会有所下降；（在实际编码时，更推荐使用setenv）

setenv

原型： int setenv(const char *name, const char *value, int overwrite);
参数说明：

  • name：环境变量名，不能包含 =
  • value：环境变量值
  • overwrite：
    • 若为 0，且环境变量已存在，则不修改；
    • 若为 非 0，则强制更新；

返回值

  • 成功返回 0
  • 失败返回 -1

unsetenv

作用： 删除指定名称的环境变量；
原型： int unsetenv(const char* name)
返回值：

  • 成功返回 0
  • 失败返回 -1

注意: 如果name在环境变量中不存在，unsetenv什么也不做；如果name为空字符串或者字符串中包含=，就会报错；

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