【Linux】进程程序替换

1、程序替换现象

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

int main()
{
    printf("I am a process\n");

    // 执行ls -a -l 程序，替换当前进程映像
    execl("/usr/bin/ls", "ls", "-a", "-l", NULL);

    // execl调用成功后下面两行永远不会执行
    printf("代码运行中...\n");
    printf("代码运行中...\n");

    return 0;
}

调用程序替换函数后，进程没有执行下面的printf输出，而是去执行了ls命令，所以可以看出，程序替换函数execl可以用其他进程替换当前的进程

2、替换原理

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，从新程序的启动例程开始执行。调用 exec 并不创建新进程，所以调用 exec 前后该进程的pid为改变

替换的完整流程：

一个进程拥有独立的PCB、虚拟地址空间
调用exec函数后，操作系统从磁盘读取目标可执行程序
直接覆盖当前进程的虚拟地址空间里所有原代码、数据、堆栈内容
页面重新映射到新程序对应的物理内存
CPU跳转到新程序的入口函数开始运行

注意：整个过程不创建新进程，替换前后getpid() 获取的进程ID完全相同，exec调用成功后，原程序后续代码全被覆盖

exec函数返回值：

调用成功：无返回值，原代码直接消失；
调用失败：返回 - 1，回到原程序继续向下执行

3、exec函数

一共有六种以exec开头的函数：

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#include <unistd.h> // 头文件依赖

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[]);

六个函数命名字母有固定含义：

字母	含义
l	list，参数以可变参数列表传递，末尾必须填`NULL`
v	vector，参数存字符串数组，数组最后一个元素为`NULL`
p	path，自动读取环境变量`PATH`，只需传程序名不用写完整路径
e	environ，自定义环境变量，手动传入环境变量数组

3.1 execl

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

path：目标程序完整绝对路径（如/usr/bin/ls）
arg...：可变参数列表，命令行参数依次填写，最后必须以NULL结尾
示例：execl("/usr/bin/ls", "ls", "-l", "-a", NULL);

3.2 execlp

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

带p：自动搜索PATH环境变量，第一个参数直接写程序名即可
传参方式和execl一致，可变参数 + NULL收尾
示例：execlp("ls", "ls", "-l", NULL);

3.3 execle

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

l：列表传参，e：自定义环境变量
path需要完整绝对路径

3.4 execv

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

v：数组传参，所有命令参数提前单独放到字符串数组中
path：依旧需要完整绝对路径

示例：

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

int main()
{
    printf("I am a process\n");
    pid_t id = fork();

    if (id == 0)
    {
        sleep(2);
        printf("下面的代码都是子进程\n");
        // 命令行参数单独写入字符串数组中
        char *argv[] = {
            (char *)"ls",
            (char *)"-l",
            (char *)"--color=auto",
            NULL
        };
        execv("/usr/bin/ls", argv);
        // execv执行失败才会执行下面，打印错误信息
        perror("execv 执行失败");
        exit(1);
    }

    // 等待子进程结束
    wait(NULL);
    printf("代码运行中...\n");
    printf("代码运行中...\n");
    return 0;
}

3.5 execvp

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

v：数组传参，p：自动匹配PATH
file：只需要传程序名
argv：参数封装数组

示例：

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

int main()
{
    printf("I am a process\n");
    pid_t id = fork();

    if (id == 0)
    {
        sleep(2);
        printf("下面的代码都是子进程\n");
        char *argv[] = {
            (char *)"ls",
            (char *)"-l",
            (char *)"--color=auto",
            NULL
        };
        execvp(argv[0], argv);

        // execvp执行成功不会走到这里，失败才执行exit
        exit(1);
    }

    // 父进程逻辑
    wait(NULL);  // 阻塞等待子进程执行完毕
    printf("代码运行中...\n");
    printf("代码运行中...\n");

    return 0;
}

argv $0$ ：命令名，也就是"ls"

3.6 execvpe

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

集齐v+p+e，数组传参、自动PATH、自定义环境变量

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

int main()
{
    printf("I am a process\n");
    pid_t id = fork();

    if (id == 0)
    {
        sleep(2);
        printf("下面的代码都是子进程\n");
        // 命令参数数组
        char *argv[] = {
            (char *)"othercmd",
            (char *)"-a",
            (char *)"-b",
            NULL
        };
        // 自定义环境变量数组，以NULL结尾
        char *envp[] = {
            (char*)"PATH=/home/me/lesson6/cmd",
            NULL
        };

        // 使用 execvpe 替换程序，第一个参数写完整绝对路径
        execvpe("/home/me/lesson6/cmd/othercmd", argv, envp);

        // 执行失败才会走到这里
        perror("execvpe failed");
        exit(1);
    }

    // 父进程等待子进程结束
    wait(NULL);
    printf("代码运行中...\n");
    printf("代码运行中...\n");

    return 0;
}

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// othercmd.cpp
#include <iostream>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>

using namespace std;

int main(int argc, char* argv[], char* env[])
{
    printf("I am a process\n");
    for (int i = 0; argv[i]; i++)
    {
        cout << i << ":" << argv[i] << endl;
    }
    cout << "环境变量" << endl;
    for (int i = 0; env[i]; i++)
    {
        cout << i << ":" << env[i] << endl;
    }

    return 0;
}

系统中的环境变量被修改成了我们自定义的环境变量，还可以用这种方式运行.cpp文件，达到了.c文件和.cpp文件混合使用的效果