【Linux系统】16. 进程程序替换

一. 程序替换的现象

1）通过现象直观看程序替换是什么

我们靠这些程序替换函数实现进程的程序替换（man 3 exec），先不用管他们具体怎么用，我们先看效果：

cpp 复制代码

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>

int main()
{
    printf("进程: %d 运行中\n", getpid());

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

    printf("进程: %d 依旧在运行\n", getpid());
    printf("进程: %d 依旧在运行\n", getpid());
    printf("进程: %d 依旧在运行\n", getpid());
    printf("进程: %d 依旧在运行\n", getpid());

    return 0;
}

很明显，运行完ls -a -l之后程序并没有往下运行来打印进程: 25039 依旧在运行，而是直接结束了。所以，程序替换的现象就是当前进程转而执行另一个程序，并且不会再转回来。

2）fork的两种用法

回到进程创建时，我们说过fork的两种用法：

之前我们一直用的是第一种，父进程创建子进程，子进程执行父进程的一部分，通过条件判断语句进行父子分流。但是我们还会有第二种需求，希望子进程去执行另外一个程序。这就需要用到程序替换函数（系统调用，及其封装）。

二. 程序替换的原理

操作系统会根据新程序代码和数据的大小对内存区域做调整，但进程的PCB没变，pid还是原来的pid，所以没创新进程。

三. 程序替换的本质

将磁盘上的代码和数据拷贝到内存当中，这是一个IO的过程。我们之前说过，因为体系结构规定，CPU必须与内存交互，所以程序运行之前必须要被加载到内存当中，那么程序是如何被加载到内存当中的呢？怎么做到的呢？
只有OS有资格做这种将数据从一个硬件搬到另一个硬件的工作，因为它是硬件的管理者。OS做这件事是应用户的请求，所以OS必须提供一个系统调用给用户来完成这个加载的过程。这个系统调用就是程序替换函数。
所以程序替换的本质就是加载。

其实系统里所有进程在启动前都是一个加载器，这个加载器在磁盘上扫描要加载的数据，找到后调用程序替换函数，用对应的内容替换掉加载器的代码和数据，这样就把程序加载进来了。

四. 程序替换函数

1）父子进程是相互独立的。原本父子共享、指向同一块代码和数据段，当子进程要发生程序替换时，绝对不能直接替换，不然父进程的代码和数据也被换了。所以子进程要替换时，会发生**写时拷贝，**重新开辟自己的空间，从此父子彻底分离（PCB、代码、数据都不再共享）。

fork替换的这种用法最常见的就是bash，所以bash下的命令、子进程都可以执行自己的逻辑。

进行程序替换就是希望执行我们想要的程序，执行任何程序都需要：1. 我们要执行谁？找到并加载它-->需要路径+程序名。2. 我们想怎么运行？由程序和选项决定。

2）execl

程序替换函数的函数名前半部分都是exec，后面跟的字母都是有特殊含义的，l：代表list列表，这决定了传参方式都是以列表形式一个一个传。
参数含义
程序替换的函数的部分参数确实可以省略，不如下面的"ls"，因为操作系统会自动做补全，但是非常不建议省略，有的可省有的不可省，弄来弄去记忆成本高还易出错。

所有程序替换函数在替换成功时都是没有返回值 ，失败时返回-1，并设置errno。

① 什么情况下会失败？路径错或者指令错。

演示一种路径错误的情况：将退出码设置为5，如果程序执行到exit表示替换失败。

cpp 复制代码

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

int main()
{
    printf("进程: %d 运行中\n", getpid());
    pid_t id = fork();
    if(id == 0)
    {
        // 使用程序替换函数
        execl("/usr/bin/lll", "ls", "-a", "-l", NULL);
        exit(5);
    }
   
    int status = 0;
    pid_t rid = waitpid(id, &status,0);
    if(rid > 0)
    {
        printf("wait success,exit code: %d\n", WEXITSTATUS(status));
    }

    return 0;
}

3）execlp

4）execv

5）execvp

6）execvpe

execvpe的第三个参数envp是给替换后的新程序用的，而不是用来找这个替换程序的。

所以想找到我们自己的程序得先把它所在的路径添加到环境变量中（因为execvpe带p，只用传文件名他会到PATH中找）

bash 复制代码

[lsy@hcss-ecs-116a code_exec]$ cat ./cmd/othercmd.cpp
#include <iostream>
#include <stdio.h>

int main(int argc, char *argv[], char *env[])
{
    for(int i = 0; i < argc; i++)
    {
        printf("argv[%d]: %s\n", i, argv[i]);
    }
    std::cout << "\r\n";
    for(int j = 0; env[j]; j++)
    {
        printf("env[%d]->%s\n", j, env[j]);
    }
    std::cout << "成功替换为自己的C++程序" << std::endl;
    return 0;
}

bash 复制代码

[lsy@hcss-ecs-116a cmd]$ pwd
/home/lsy/code/code_exec/cmd
[lsy@hcss-ecs-116a cmd]$ PATH=$PATH:/home/lsy/code/code_exec/cmd
[lsy@hcss-ecs-116a cmd]$ echo $PATH
/usr/local/bin:/usr/bin:/usr/local/sbin:/usr/sbin:/home/lsy/.local/bin:/home/lsy/bin:/home/lsy/code/code_exec/cmd

cpp 复制代码

void test01()
{
    printf("进程：%d\n", getpid());
    pid_t id = fork();
    if(id == 0)
    {
        printf("当前是子进程\n");
        
        char* myargv[] = {(char*)"./othercmd", (char*)"-a", (char*)"-b", NULL};
        //char* myenv[] = {(char*)"PATH=/home/lsy/code/code_exec/cmd", NULL};
        char* myenv[] = {(char*)"PATH=llllssa", NULL}; // 不会替换失败，因为它不是用来找替换的文件的
       
        //extern char** environ;

        //execvpe("othercmd", myargv, environ);
        execvpe("othercmd", myargv, myenv);
        exit(5);
    }

    int status = 0;
    pid_t rid = waitpid(id, &status,0);
    if(rid > 0)
    {
        printf("wait success,exit code: %d\n", WEXITSTATUS(status));
    }
}

如果使用了execvpe就必须传第三个参数，也就是环境变量表：

① 如果想传自己的，就自定义一张环境变量表传给子进程。

② 如果不想改，就想用原来继承来的环境变量表，可以使用environ

cpp 复制代码

void test01()
{
    printf("进程：%d\n", getpid());
    pid_t id = fork();
    if(id == 0)
    {
        printf("当前是子进程\n");
        
        char* myargv[] = {(char*)"./othercmd", (char*)"-a", (char*)"-b", NULL};
        char* myenv[] = {(char*)"PATH=/home/lsy/code/code_exec/cmd", NULL};
       
        extern char** environ;
        execvpe("othercmd", myargv, environ);
        exit(5);
    }

    int status = 0;
    pid_t rid = waitpid(id, &status,0);
    if(rid > 0)
    {
        printf("wait success,exit code: %d\n", WEXITSTATUS(status));
    }
}

③ 想在原来的环境变量上新增或修改：putenv 。putenv不是为全局的环境变量新增，父子进程在进程地址空间中有各自不同的环境变量区，谁调用改变谁。

l（list）: 参数采用列表

v（vector）: 参数用数组

p（PATH）: 自动搜索环境变量PATH

e（env）: 表示可以自己传入一个自定义的环境变量数组，之后完全使用自定义的，舍弃原本继承来的。
总结

子进程的环境变量不是必须继承父进程的，也可以根据自己的需求定制。

命令行参数表和环境变量表都是父进程通过exec系列的程序替换函数传递的

6）exec系列函数对比

只有execve 是真正的系统调用 。
其他六个都是C 标准库提供的封装函数，并不是系统提供的，底层都是调execve的。

7）可替换任意程序

程序替换不仅可以将系统命令替换进去，还可将自己写的任意语言替换进去，但是注意替换的是编译好的二进制程序，不是源文件。（比如实现用C语言的程序调C++、Python、Java...甚至shell、bash脚本都可以）

bash 复制代码

[lsy@hcss-ecs-116a cmd]$ cat othercmd.cpp
#include <iostream>
using namespace std;

int main()
{
    cout << "成功替换成自己的C++程序" << endl;
    return 0;
}
[lsy@hcss-ecs-116a cmd]$ cat test.sh
#!/bin/bash

echo "hello world"
echo "hello shell"
printf("hello exec");
[lsy@hcss-ecs-116a cmd]$ cat test.py
print("成功替换成自己的python");

cpp 复制代码

void test02()
{
    printf("当前进程pid: %d\n", getpid());
    pid_t id = fork();
    if(id == 0)
    {
        printf("当前是子进程：\n");
        //execl("./cmd/othercmd", "./othercmd", NULL);
        //execl("/usr/bin/bash", "bash", "./cmd/test.sh", NULL);
        execl("/usr/bin/python3", "python3", "./cmd/test.py", NULL);
        exit(5);
    }
    
    int status = 0;
    pid_t rid = waitpid(id, &status, 0);
    if(rid > 0)
    {
        printf("wait success,exit code: %d\n", WEXITSTATUS(status));
    }
}