【Linux】进程替换

大柏怎么被偷了2025-11-29 12:53

单进程版本------实现简单的程序替换

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

  • const char* pathname ：表示执行的文件的路径
  • const char* arg：表示如何执行这个程序
  • ... 表示可变参数列表
cpp 复制代码 
#include<stdio.h>
#include<unistd.h>
#include<sys/types.h>

int main()
{
	printf("before process pid : %d ; ppid : %d \n", getpid(), getppid());

	// 程序替换
	execl("/usr/bin/ls", "ls", "-a", "-l", NULL);


	printf("after process pid : %d ; ppid : %d \n", getpid(), getppid());

	return 0;
}

进程替换的原理

当程序运行到程序替换的位置处，excel会将新程序的代表替换老程序的代码，用新程序的数据替换老程序的数据，将堆区和栈区全部替换，然后让CPU开始执行新程序的mian函数入口。

【注意】整个过程只是将进程的代码和数据进行了替换，没有创建子进程。

多进程版本------验证各种进程替换的结构

cpp 复制代码 
int main()
{
	pid_t id = fork();
	if(id == 0)
	{
		// child
		printf("child before process pid : %d ; ppid : %d \n", getpid(), getppid());
		// 程序替换
		execl("/usr/bin/ls", "ls", "-a", "-l", NULL);
		printf("child after process pid : %d ; ppid : %d \n", getpid(), getppid());
		exit(1);
	}

	// father
	pid_t ret = waitpid(id, NULL, 0);
	if(ret > 0) 
	{
		printf("father wait success, father pid : %d, ret id : %d\n", getpid(), ret);
	}

	return 0;
}

【结论】

  1. 在子进程执行的程序替换，父进程并不会受影响。是因为进程之间具有独立性质，并且存在写时拷贝技术，所以也证实了代码也是可以被写时拷贝的。
  2. 程序替换不会创建子进程，只进行进程的程序代码和数据的替换工作。

当使用fork创建子进程后执行的是和父进程相同的程序（相同的代码和数据，但是可能是不同的代码分支），子进程往往要调用一种exec函数以执行另一个程序。当进程调用exec函数时，该进程的用户空间代码和数据完全被新程序所替换，从新程序的启动例程开始执行。调用exec并不会创建新进程，所以调用exec前后该进程的id并没有改变。

程序替换成功之后，exec*该进程后续的代码不会执行。如果程序替换失败，才可能执行后续代码。因此，exec*函数，只有失败返回值，没有成功返回值。

问题1：进程替换后，CPU如何知道新进程的入口？

Linux中形成的可执行程序是有格式的，即ELF格式，而这个可执行程序中会有一个表头，而这个可执行程序的入口地址就在表头中，进程替换后，会先将表头加载到CPU中。

接口总结

Linux中有7种以exec开头的函数，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 execvpe(const char *file, char *const argv[], char *const envp[]);

上述六个接口是C语言实现的接口，下面这个是系统调用接口：

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

execl接口

execl是exec类型接口的第一个接口，l 可以理解是list的意思，也就是从第二个参数开始，参数是一个一个传递给函数的，l 代表传参是可变参数列表。

cpp 复制代码 
execl("/usr/bin/ls", "ls", "-a", "-l", NULL);

通过上面的这个例子在命令行中如何写指令，从第二个参数开始就是如何传递参数。

第一个参数，代表如果想要执行程序，就需要找到这个程序。而所有带 l 的exec函数的第一个参数就是决定如何找到该程序。通过第一个参数找到这个程序，后面的参数代表如何执行这个程序，主要是要不要涵盖选项，涵盖那些选项。

makefile执行多个可执行文件

bash 复制代码 
.PHONY:all
all:otherExe command

command:command.c
	gcc -o $@ $^ -std=c99
otherExe:otherExe.cpp
	g++ -o $@ $^ -std=c++11

.PHONY:clean
clean:
	rm -f command otherExe

使用一个C语言程序调用另一个C++程序

cpp 复制代码 
int main()
{
	pid_t id = fork();
	if(id == 0)
	{
		// child
		printf("child before process pid : %d ; ppid : %d \n", getpid(), getppid());
		// 程序替换
		execl("./otherExe", "otherExe", NULL);
		printf("child after process pid : %d ; ppid : %d \n", getpid(), getppid());
		exit(1);
	}
	// father
	pid_t ret = waitpid(id, NULL, 0);
	if(ret > 0) 
	{
		printf("father wait success, father pid : %d, ret id : %d\n", getpid(), ret);
	}

	return 0;
}

注意，第二个参数不需要带./，是因为系统已经可以通过第一个参数找到该路径

用C语言或者C++调用其他的脚本语言

首先，创建一个shell脚本

cpp 复制代码 
int main()
{
	pid_t id = fork();
	if(id == 0)
	{
		// child
		printf("child before process pid : %d ; ppid : %d \n", getpid(), getppid());
		// 程序替换
	
		execl("/usr/bin/bash", "bash", "test.sh",  NULL);
		printf("child after process pid : %d ; ppid : %d \n", getpid(), getppid());
		exit(1);
	}
	// father
	pid_t ret = waitpid(id, NULL, 0);
	if(ret > 0) 
	{
		printf("father wait success, father pid : %d, ret id : %d\n", getpid(), ret);
	}

	return 0;
}

【注意】无论是可执行程序或者脚本，都可以跨语言调用，其核心原因是所有语言运行起来后，都是进程。

execlp接口

execlp在上面的execl的基础上多了p，p代表的是PATH，代表execlp会默认在PATH环境变量中查找某个程序。后面的内容同execl相同。

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

环境变量具有全局属性，所以每一个进程都会有环境变量。

【注意】函数中存在两个ls，第一个ls代表的是找到该程序的路径（同时这个路径需要在PATH环境变量下，才可以缩写），第二个以及后面的参数代表如何执行这个程序。

execv接口

v代表的意思是vector（了解C++的一定清楚，是C++中的一个容器），第一个参数没有带p，说明第一个参数是需要如何找到该程序。第二个参数是字符串指针数组。

在命令行输入指令ls -a -l的时候，程序会将这些指令解释成"ls","-a"."-l"字符串。而execv的第二个参数代表将这些字符串放在一个字符串指针数组中，然后传递过来。

【注意】char *const argv[]代表指针本身不能被修改，而指针所指向的内容不可以被修改。

execvp接口

exec后面多个v和p，p代表在PATH环境变量中查找，v代表可以使用字符指针数组传递参数。

cpp 复制代码 
char *const myargv[] = {"ls", "-a", "-l", NULL};
		execvp("ls", myargv);

execle接口

execle接口中的e代表的是env环境变量。环境变量也是数据，在创建子进程的时候，环境变量已经被子进程继承下去了。所以，程序替换中环境信息不会被替换。

如何给子进程传递环境变量？

  1. 新增环境变量------在自己父进程的地址空间中直接putenv()
  2. 彻底替换
cpp 复制代码 
		// 父进程执行
		extern char **environ;// 设置环境变量
		putenv("PRIVATE_ENV=11111111");// 添加该进程下的环境变量


		// 子进程执行
		char *const myargv[] = {"ls", "-a", "-l", NULL};
        // 此处传递的系统的环境变量
		execle("./otherExe", "otherExe", "-a", "-w", "-v", NULL, environ); // 子进程替换后，也可以看到添加后的环境变量

传递环境变量的作用，可以给环境变量传递变量的值。这里被替换的进程看到的是传递的系统提供的环境变量

cpp 复制代码 
		// 父进程执行
		extern char **environ;// 设置环境变量
		putenv("PRIVATE_ENV=11111111");// 添加该进程下的环境变量


		// 子进程执行
		char *const myargv[] = {"ls", "-a", "-l", NULL};
        // 自定义环境变量
        char *const myenv[] = {"MYVAL=111", "MYPATH=/usr/bin/sss", NULL};
		execle("./otherExe", "otherExe", "-a", "-w", "-v", NULL, myenv); // 子进程替换后，也可以看到添加后的环境变量

这里被替换的进程只能看到传递的自定义环境变量，当传递自定义环境变量的时候，采取的策略是覆盖，而不是追加。

execve接口

execve不同于其他几个接口，该函数是取自2号手册，

函数解释：

  • exec函数承担的是加载器的效果。
  • 这些函数如果调用成功加载新的程序从启动代码开始执行，不再返回
  • 如果调用出错则返回-1
  • exec函数只有出错的返回值而没有成功的返回值。

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

【总结】事实上，只有execve是真正的系统调用，其他五个函数最终都调用execve。

自定义shell

shell是一个外壳程序，shell/bash也是一个进程，本质就是自己创建子进程执行的。

cpp 复制代码 
#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<assert.h>
#include<string.h>
#include<unistd.h>
#include<sys/types.h>
#include<stdlib.h>
#include<sys/wait.h>

#define LEFT "["
#define RIGHT "]"
#define LABLE "$"
#define DELIM " \t"
#define LINE_SIZE 1024
#define ARGC_SIZE 32
#define EXIT_CODE 2

int lastcode = 0;
int quit = 0;
extern char **environ;
char commandline[LINE_SIZE];
char *argv[ARGC_SIZE];
char pwd[LINE_SIZE];



// 获取环境变量中的USER变量
const char* getusername()
{
	return getenv("USER");
}

// 获取环境变量中的HSITNAME------主机名称
const char* gethostname()
{
	return getenv("HOSTNAME");
}

// 获取环境变量的当前路径
void getpwd()
{
	getcwd(pwd, sizeof(pwd) - 1);
}

// 交互函数
void Interact(char *cline, int size)
{
	getpwd();
	printf(LEFT"%s@%s:%s"RIGHT""LABLE" ", getusername(), gethostname(), pwd);
	char *s = fgets(cline, size, stdin);
	assert(s != NULL);
	(void)s; // 防止编译器报错	
	
	//"abcd\n\0"
	cline[strlen(cline) - 1] = '\0';
}

// 分割子字符串
int splitspring(char cline[], char *_argv[])
{
	int i = 0;
	_argv[i++] = strtok(cline, DELIM);
	while(_argv[i++] = strtok(NULL, DELIM)); // 一行代码将字符串全部切割
	return i - 1;
}


// 普通命令的执行
void NormalExcute(char *_argv[])
{
	
	pid_t id = fork();
	if(id < 0) 
	{
		perror("fork");
		return;
	}
	else if(id == 0)
	{
		// 让子进程执行命令
		// execvpe(_argv[0], _argv, environ);
		execvp(_argv[0], _argv);
		exit(EXIT_CODE);
	}
	else
	{
		// 父进程
		int status = 0;
		pid_t ret = waitpid(id, &status, 0);
		if(ret == id)
		{
			// 最近一次进程等待的退出码
			lastcode = WEXITSTATUS(status);
		}
	}
}

int buildCommand(char *_argv[], int _argc)
{
	
		buildCommand(argv, argc);
		if(argc == 2 && strcmp(argv[0], "cd") == 0)
		{
			chdir(argv[1]);
			getpwd();
			sprintf(getenv("PWD"), "%s", pwd);
			return 1;
		}
		if(strcmp(_argv[0], "ls") == 0)
		{
			_argv[_argc++] = "--color";
			_argv[_argc] = NULL;
		}

		return 0;
}

// 其他命令
// ... ... 

int main()
{
	
	while(!0)
	{
		// 1.

		// 2.交互问题，获取命令行
		Interact(commandline, sizeof(commandline));
		// "ls -a -l -n\0"将命令字符串进行切割------> "ls" "-a" "-l" "-n"
		// 使用strtok接口，第一个参数代码分割的字串，第二个参数代码分割符，返回值代表的是分割出来的字串
		// 3.字符串风格，解析命令
		int argc = splitspring(commandline, argv);
		if(argc == 0) continue;

		// 4.指令的判断
		// debug测试
		// for(int i = 0; argv[i]; ++i) printf("[%d]:%s\n", i, argv[i]);
		
		int n =  buildCommand(argv, argc)
		// 5.普通命令的执行
		if(!n) NormalExcute(argv);
	}
	
	return 0;
}
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