[Linux入门]---进程替换

1.进程替换原理

一个程序替换的函数：

#include <unistd.h>`
int execl(const char *path, const char *arg, ...);

示例1：

#include<stdio.h>
#include<sys/types.h>
#include<unistd.h>
#include<sys/wait.h>
#include<stdlib.h>
int main()
{printf("before: I am a process: pid: %d , ppid:%d\n",getpid(),getppid());sleep(5);execl("/usr/bin/ls","ls","-l","-a",NULL);printf("after: I am a process: pid: %d , ppid:%d\n",getpid(),getppid());
}

示例2：

#include<stdio.h>
#include<sys/types.h>
#include<unistd.h>
#include<sys/wait.h>
#include<stdlib.h>int main()
{pid_t id=fork();if(id == 0){//childprintf("before: I am a process: pid: %d , ppid:%d\n",getpid(),getppid());sleep(5);execl("/usr/bin/ls","ls","-l","-a",NULL);printf("after: I am a process: pid: %d , ppid:%d\n",getpid(),getppid());exit(0);}//fatherpid_t ret=waitpid(id,NULL,0);if(ret > 0){printf("wait success, father pid:%d, ret id: %d\n",getpid(),ret);sleep(5);}return 0;
}

代码运行结果如下：

从上面的代码运行结果，示例1中可以看出父进程使用execl程序替换函数，会直接替换程序的代码和数据；示例2中，父进程创建子进程使用execl程序替换函数，要替换子进程的代码和数据的时候，触发只读权限写实拷贝，OS会重新开辟空间存放替换新程序的代码和数据！

问题1：在两个示例中，为什么没有执行以下代码语句？

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

程序替换成功之后，exec*后续的代码不会被执行；替换失败呢?才可能执行后续代码。exec*函数，只有失败返回值，没有成功返回值!!

问题2：CPU是如何得知程序的入口地址？
Linux中形成的可执行程序，是有格式的，有一个描述信息的表，该表里面就描述了当前可能程序分了哪些段，包括代码段，数据段等，可执行（入口）地址就是表头地址！CPU把可执行程序加载进来的时候，首先获得表头地址（可执行程序地址），便可以执行程序！

问题3：程序替换有没有创建新的进程？
程序替换没有创建新进程，只是进行进程的程序代码和数据的替换工作！

替换原理总结

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)，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id并未改变。

2.进程替换函数

其实有六种以exec开头的函数,统称exec函数:

#include <unistd.h>`
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[]);

2.1execl函数

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

execl替换函数，参数path中，/usr/bin/ls作为路径传参，需要找到可执行程序的位置；execl替换函数以链表的方式，把功能选项连接起来，则是要确定如何执行可执行程序！

#include<stdio.h>
#include<sys/types.h>
#include<unistd.h>
#include<sys/wait.h>
#include<stdlib.h>int main()
{pid_t id=fork();if(id == 0){//childprintf("before: I am a process: pid: %d , ppid:%d\n",getpid(),getppid());sleep(5);//替换函数execl("/usr/bin/ls","ls","-l","-a",NULL);printf("after: I am a process: pid: %d , ppid:%d\n",getpid(),getppid());exit(0);}//fatherpid_t ret=waitpid(id,NULL,0);if(ret > 0){printf("wait success, father pid:%d, ret id: %d\n",getpid(),ret);sleep(5);}return 0;
}

代码运行结果如下：

使用命令行参数指令：

#ls -a -l

指令运行结果：

简记：execl替换函数，arg参数与命令行参数传递一致，命令行参数怎么写，在execl函数中就怎么传！只不过空格换逗号，加NULL。

2.2execlp函数

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

示例：

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

#include<stdio.h>
#include<sys/types.h>
#include<unistd.h>
#include<sys/wait.h>
#include<stdlib.h>int main()
{pid_t id=fork();if(id == 0){//childprintf("before: I am a process: pid: %d , ppid:%d\n",getpid(),getppid());sleep(5);//替换函数execlp("ls","ls","-l","-a",NULL);printf("after: I am a process: pid: %d , ppid:%d\n",getpid(),getppid());exit(0);}//fatherpid_t ret=waitpid(id,NULL,0);if(ret > 0){printf("wait success, father pid:%d, ret id: %d\n",getpid(),ret);sleep(5);}return 0;
}

代码运行结果如下：

execlp替换函数，函数中名中p指的是环境变量PATH，指令的默认路径，执行进程时系统会去默认路径寻找，执行系统提供的指令时不需要带上地址；参数file中，ls作为文件名传参，需要在默认路径下找到对应的可执行程序；"ls","-l","-a",NULL，execl替换函数以链表的方式，把功能选项连接起来，则是要确定如何执行可执行程序！

2.3execv函数

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

execv替换函数名中的v是指vector（数组），把可执行程序的执行选项功能放在数组中，在数组中以NULL为结尾！参数path，把可执行程序的位置作为参数传递；参数argv，把自定义选项功能数组作为参数传递！
示例：

#include<stdio.h>
#include<sys/types.h>
#include<unistd.h>
#include<sys/wait.h>
#include<stdlib.h>int main()
{pid_t id=fork();if(id == 0){//childprintf("before: I am a process: pid: %d , ppid:%d\n",getpid(),getppid());sleep(5);//数组参数char* const myargv[]={"ls","-a","-l",NULL};//替换函数execv("/usr/bin/ls",myargv);printf("after: I am a process: pid: %d , ppid:%d\n",getpid(),getppid());exit(0);}//fatherpid_t ret=waitpid(id,NULL,0);if(ret > 0){printf("wait success, father pid:%d, ret id: %d\n",getpid(),ret);sleep(5);}return 0;
}

代码运行结果如下：

2.4execvp函数

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

execvp替换函数名中的v是指vector（数组），把可执行程序的执行选项功能放在数组中，在数组中以NULL为结尾；函数中名中p指的是环境变量PATH，执行系统程序时不需要带路径；参数file，把可执行程序的位置作为参数传递；参数argv，把自定义选项功能数组作为参数传递！
示例：

#include<stdio.h>
#include<sys/types.h>
#include<unistd.h>
#include<sys/wait.h>
#include<stdlib.h>int main()
{pid_t id=fork();if(id == 0){//childprintf("before: I am a process: pid: %d , ppid:%d\n",getpid(),getppid());sleep(5);//数组参数char* const myargv[]={"ls","-a","-l",NULL};//替换函数execvp("ls",myargv);printf("after: I am a process: pid: %d , ppid:%d\n",getpid(),getppid());exit(0);}//fatherpid_t ret=waitpid(id,NULL,0);if(ret > 0){printf("wait success, father pid:%d, ret id: %d\n",getpid(),ret);sleep(5);}return 0;
}

代码运行结果如下：

2.5execle函数

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

execle替换函数名是在‘execl’函数基础上，新增加了envp参数。可以传递‘environ’环境变量参数，libc中定义的全局变量environ指向环境变量表，environ没有包含在任何头文件中,所以在使用时 要用extern声明。因为环境变量通常具有全局属性，子进程继承父进程的环境变量；也可以自己设置自定义新的环境变量数组，传递给子进程！
示例1：

//ohtherExe.cpp
#include <iostream>
using namespace std;int main(int argc, char *argv[], char *env[])
{cout << argv[0] << " begin running" << endl;cout << "这是命令行参数: \n";for(int i=0; argv[i]; i++){cout << i << " : " << argv[i] << endl;}cout << "这是环境变量信息: \n";for(int i = 0; env[i]; i++){cout << i << " : " << env[i] << endl; }cout<<"xxxxxxxxxxxxxxxxx"<<endl;  return 0;
}

//mycommand.c
//新增extern char** environ;//替换函数execle("./otherExe","otherExe","-a","-b","c",NULL,environ);

代码运行结果为：

示例2：

//mycommand.c
//新增部分
char *const myenv[] = {"MYVAL=1111","MYPATH=/usr/bin/XXX",NULL
};
//替换函数为
execle("./otherExe", "otherExe", "-a", "-w", "-v", NULL, myenv);

代码运行结果为：

2.6execve函数

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

execve替换函数名中的v是指vector（数组），把可执行程序的执行选项功能放在数组中，在数组中以NULL为结尾；envp参数，传递环境变量为参数。
示例：

    char* const myargv[]={"otherExe","-a","-l",NULL};char* const myenv[]={"MYVAL=111111","MYPATH=/usr/bin/xxx",NULL};extern char** environ;

代码运行的结果为：

注意：
libc中定义的全局变量environ指向环境变量表，environ没有包含在任何头文件中，所以在使用时要用extern声明；我们如果想给子进程传递环境变量，有两种方式：①新增环境变量，在父进程中使用putenv函数自己设置的环境变量；②彻底替换（覆盖）环境变量，使用带“e”选项的exec函数（execle/execve函数），传递自己设置环境变量数组；

2.7跨语言调用程序

在上面的例子中，我们都是使用我们自己写的mycommand.c程序调用系统的程序（指令），那我们是否可以调用自己所写的程序呢？答案是当然可以！
示例1：
python代码

#!/usr/bin/python3print("hello Python!")

#include<stdio.h>
#include<sys/types.h>
#include<unistd.h>
#include<sys/wait.h>
#include<stdlib.h>int main()
{pid_t id=fork();if(id == 0){//childprintf("before: I am a process: pid: %d , ppid:%d\n",getpid(),getppid());sleep(5);//替换函数execl("/usr/bin/python3", "python3", "test.py", NULL);printf("after: I am a process: pid: %d , ppid:%d\n",getpid(),getppid());exit(0);}//fatherpid_t ret=waitpid(id,NULL,0);if(ret > 0){printf("wait success, father pid:%d, ret id: %d\n",getpid(),ret);sleep(5);}return 0;
}

代码运行结果如下：

为什么我们可以用C语言程序调用Python可执行程序？
无论什么语言的可执行程序运行起来之后变成了进程，便可以通过在子进程中使用exec系列函数替换达到调用的效果！

3.总结

①exec系列函数如果调用成功，则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，所以exec函数只有出错的返回值，而没有成功的返回值。
②命名理解记忆

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

③只有execve函数是真正的系统调用，其它五个函数最终都调用execve函数，所以execve在man手册 第2节,其它函数在man手册第3节。这些函数之间的关系如下图所示：