Linux进程控制【进程程序替换】

子进程在被创建后，会共享父进程的代码，如果想让子进程执行其他任务，就需要把当前子进程的程序替换为目标程序，这就是进程程序替换

1. 程序替换原理

我们使用一个替换函数execl，来看看现象

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

int main()
{
   
  printf("begin......\n");
  printf("begin......\n");
  printf("begin......\n");

  execl("/bin/ls", "ls", "-a", "-l", NULL);

  printf("end.....\n");
  printf("end.....\n");
  printf("end.....\n");
  return 0;
}

我们发现在myfile程序执行的过程中，调用execl来执行另一个程序，新的代码和数据加载了，但执行完新程序后并没有回来继续执行原程序，原程序中后续的代码直接被替换了，没机会执行了，这就是程序替换

进程程序替换原理

用fork创建子进程后执行的是和父进程相同的程序(但有可能执行不同的代码分支)
进程有对应的PCB，数据和代码会被加载到内存中，子进程调用一种exec函数(替换函数)时，该进程的代码和数据完全被新程序替换，执行新程序
进程的程序替换并没有创建新的进程，而是对原有程序中的数据和代码进行修改，调用exec函数前后该进程的PID并没有变化

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <pthread.h>
#include <sys/wait.h>

int main()
{
   
  pid_t id = fork();
  if(id == 0)
  {
   
    printf("我是子进程, 我的PID:%d, PPID:%d\n", getpid(), getppid());
    execl("/bin/ls","ls", "-a", "-l");
  }
  sleep(3);

  printf("我是父进程,我的PID:%d\n", getpid());
  waitpid(id, NULL, 0);

  return 0;
}

进程程序替换图解

进程程序替换的目的就是是让子进程帮我们执行特定的任务

shell外壳中的bash就是一个任务处理平台，当我们发出指令后，bash会创建子进程，将其替换为对应的指令程序并执行任务，就能实现各种指令
bash运行后，使用指令本质上就是在进行程序替换

2. 替换函数

进程程序替换函数一共有七个，其中六个都是对系统级接口execve的封装

各替换函数关系图示

2.1 execl函数

#include <unistd.h>

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

execl函数

返回值：替换失败返回-1，成功后不返回
path参数：代替换程序的路径
arg参数：代替换程序名
. . .：可变参数列表，可以传递多个参数(这里是链式传递)，表示待替换的程序选项，最后一个必须以NULL结尾，表示选项传递结束

七个替换函数都是失败返回-1，成功不返回，成功后代码都被替换了，返回就没有意义了

使用实例

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

int main()
{
   
    printf("Can you see me?\n");

  int ret = execl("/bin/pwd", "pwd", NULL);

  if(ret == -1)
    printf("程序替换失败");

  printf("Can you see me?\n");
  return 0;
}

2.2 execv函数

#include <unistd.h>

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

execv函数

path参数：待替换程序的路径
argv[]参数：代替换程序名及其选项，是一个指针数组，相当于用一张表传递参数

使用实例

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

int main()
{
   
  char* const argv[] = {
   "ls", "-a", "-l", NULL}; //最后一个参数也要设为NULL

  execv("/bin/ls", argv);
  return 0;
}

2.3 execlp函数

#include <unistd.h>

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

execlp函数

file参数：执行文件名
arg参数：代替换程序名
. . .：可变参数列表，待替换的程序选项

使用实例

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

int main()
{
   
  execlp("ls", "ls", "-a", "-l", NULL);  

  return 0;
}
//第一个ls是执行文件名，第二个ls及以后是怎样执行的参数

execlp函数不用填写文件路径，可以自动到PATH变量中去查找程序，如果程序路径不在PATH变量中，则无法进行替换

2.4 execvp函数

#include <unistd.h>

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

execvp函数

file参数：待替换程序名，需要位于PATH中
argv[]参数：代替换程序名及其选项，是一个指针数组，相当于用一张表传递参数

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

int main()
{
    
  char* const argv[] = {
   "ls", "-a", "-l", NULL};

  execvp("ls", argv);
  return 0;
}

如果file的路径不在 PATH中，程序会替换错误，想替换自己写的程序，需要将路径添加至 PATH 中

2.5 execle函数

execle最后的一个e，就表示环境变量表，可以将自定义的或者当前程序中的环境变量表传给待替换程序，其他没有带 e 的替换函数，默认传递当前程序中的环境变量表

#include <unistd.h>

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

execle函数

path参数：代替换程序的路径
arg参数：代替换程序名
. . .：可变参数列表，待替换的程序选项
envp[]：可自定义待替换程序的环境变量表

使用实例

//myfile.c
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>

int main()
{
   
  char* const myenv[] = {
   "MYENV=study9/test.c", NULL};

  execle("./exec/otherTest", "otherTest", NULL, myenv);
  return 0;
}

//Test.c
#include <iostream>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>
using namespace std;

int main()
{
   
  for(int i = 0; i < 3; ++i)
  {
   
    cout << "我是exec路径下的程序,我的PID是: " << getpid() << " " << "MYENV:"<< (getenv("MYENV") == NULL ? "NULL" : getenv("MYENV")) << endl;
    sleep(1);
  }
  return 0;
}

我们改写一下Test.cc中的代码，来观察一个现象

//Test.c
#include <iostream>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>
using namespace std;

int main()
{
   
    cout << "------------------------------------------------------" << endl;
    cout << "我是exec路径下的程序,我的PID是: " << getpid() << endl;
    cout << "MYENV:"<< (getenv("MYENV") == NULL ? "NULL" : getenv("MYENV")) << endl;
    cout << "PATH:"<< (getenv("PATH") == NULL ? "NULL" : getenv("PATH")) << endl;
    cout << "------------------------------------------------------" << endl;  
  return 0;
}

再来运行myfile

我们观察到当本程序中设定自定义环境变量，待替换的程序中有系统环境变量，此时运行本程序时，待替换程序中的系统环境变量为NULL

如果主动传入环境变量后，待替换程序中的原环境变量表会被覆盖

这里可以使用putenv函数来解决这个现象

int putenv(char* string);  //改变或者添加一个环境变量

对myfile.c中的代码进行改造

//myfile.c
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>

extern char** environ; //声明环境变量表

int main()
{
  char* const myenv[] = {"MYENV=Test/myfile.c", NULL};
  putenv("MYENV=Test/myfile.c");
  execle("./exec/MyTest", "MyTest", NULL, environ);

  return 0;
}

环境变量表具有全局属性，可以被继承下去，原理就体现出来了

所有的指令都是bash的子进程，在bash下执行程序，就是在bash下将子进程替换为指定程序，并将bash中的环境变量表environ传递给指定程序使用
bash执行指令都可以使用execl来执行，我们要把bash的环境变量交给子进程，子进程只需要调用execle，再把对应的bash的环境变量作为参数即可被子进程继承下去

2.6 execve函数

execve是系统级的程序替换函数，其他替换函数都是对execve的封装调用

#include <unistd.h>

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

execve函数

filename参数：待替换程序的路径
argv[]参数：代替换程序名及其选项，是一个指针数组，相当于用一张表传递参数
envp[]参数：可自定义待替换程序的环境变量表

系统及接口是不分语言的，无论什么语言最终都要调用系统接口，所以这里的替换函数还可以替换其他语言写的程序

2.7 execvpe函数

使用方法和execvp 一样，多了一个参数可以传递环境变量表

#include <unistd.h>

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

execvpe函数

file参数：待替换程序名，需要位于PATH中
argv[]参数：代替换程序名及其选项，是一个指针数组，相当于用一张表传递参数
envp[]参数：传递给待替换程序的环境变量表

2.8 函数记忆

函数名	参数格式	是否带路径	是否使用当前环境变量
execl	列表	不是	是
execlp	列表	是	是
execle	列表	不是	不是，必须自己组装环境变量
execv	数组	不是	是
execvp	数组	是	是
execve	数组	不是	不是，必须自己组装环境变量
execvpe	数组	是	不是，必须自己组装环境变量

exec系列替换函数的命名是有意义的

l就是list，表示链式传递
v就是vector，表示顺序表式传递
p就是PATH，表示能根据程序名自动在PATH变量中查找，无需写全路径
e就是environ，表示需要自己组装环境变量，可以传递自定义环境变量表

3. 模拟实现简易版shell

有了前面讲到的进程创建、进程退出、进程程序替换等知识的铺垫，我们可以自己写一个简易版的shell

shell 的循环过程

获取命令行
解析命令行
建立一个子进程（fork）
替换子进程（execvp）
父进程等待子进程退出（wait）

编写有些粗糙，仅供理解框架思路

//模拟实现简易版bash命令行
#include <stdlib.h>
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>
#include <assert.h>
#include <sys/wait.h>
#include <sys/types.h>

#define COMMANDMAXSIZE 1024
#define ARGVMAXSIZE 64

int split(char* command_string, char* argv[])
{
   
  assert(command_string != NULL && argv != NULL);
  argv[0] = strtok(command_string, " ");
  if(argv[0] == NULL) 
  {
   
    return -1;
  }
  int i = 1;
  while((argv[i++] = strtok(NULL, " ")));
  return 0;
}

void debugOut(char* argv[])
{
   
  int i = 0;
  while(argv[i] != NULL)
  {
   
    printf("%d->%s\n", i, argv[i]);
    ++i;
  }
}

int main()
{
   
  while(1)
  {
   
    char command_string[COMMANDMAXSIZE] = {
   0};
    printf("[name@my_root currpath]# ");
    fflush(stdout);
    char* s = fgets(command_string, sizeof(command_string), stdin);
    assert(s != NULL);
    (void)s; //保证release版本时,因为去掉assert()导致ret未被使用，而带来的编译告警
    command_string[strlen(command_string) - 1] = '\0'; //去掉回车导致的换行
    char* argv[ARGVMAXSIZE] = {
   NULL};
    int ret = split(command_string, argv); //命令字符串切割
    if(ret != 0)
    {
   
      continue;
    }
    //debugOut(argv);

    pid_t id = fork();
    assert(id >= 0);
    if(id == 0) //子进程
    {
   
      execvp(argv[0], argv);
      exit(0); 
    }

    //父进程
    int status = 0;
    waitpid(id, &status, 0);

    //子进程去执行对应的命令，父进程等待子进程
  }
  return 0;
}

Linux进程控制—进程程序替换，到这里就介绍结束了，本篇文章对你由帮助的话，期待大佬们的三连，你们的支持是我最大的动力！

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Linux进程控制【进程程序替换】

Linux进程控制【进程程序替换】

1. 程序替换原理

2. 替换函数

2.1 execl函数

2.2 execv函数

2.3 execlp函数

2.4 execvp函数

2.5 execle函数

2.6 execve函数

2.7 execvpe函数

2.8 函数记忆

3. 模拟实现简易版shell

龙蜥操作系统

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