【云原生】Linux进程控制(进程程序替换)

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• Good judgment comes from experience, and a lot of that comes from bad judgment.- 好的判断力来自经验，其中很多来自糟糕的判断力。

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文章目录

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🌇前言

**

子进程

在被创建后，共享的是

父进程

的代码，如果想实现自己的逻辑就需要再额外编写代码，为了能让

子进程

执行其他任务，可以把当前

子进程

的程序替换为目标程序，此时需要用到

Linux

进程程序替换相关知识**

**

子进程

替换为其他程序后，无法再执行原有程序，但

进程

始终为同一个**

**火爆全网的

ChatGTP

能否替换 “人类” ？**

---

🏙️正文

1、为何要进行程序替换？

在学习相关函数前，先要弄清楚为何要进行程序替换？

• 将运行中的程序看作一个 任务处理平台
• 由我们发出指令，交给 任务处理平台 去完成
• 因为每次发出的指令都可能不相同，所以 任务处理平台 中的代码不能固化
• 为了解决这个问题，任务处理平台 可以通过创建子进程，让子进程完成对应指令
• 子进程实现对应指令依赖于程序替换

总结：程序替换的目的是让子进程帮我们执行特定任务

就像汽车拥有各种各样的轮胎，如越野时需要换上路面兼容性更好、更耐造的越野胎；日常家用时，舒适性更好、胎噪更小的轮胎显然就更合适了，针对不同的使用场景替换不同的轮胎，程序替换时也是这么个意思，执行特定任务

**

shell

外壳中的

bash

就是一个任务处理平台，当我们发出指令，如

ls

、

pwd

、

touch

等指令时后，

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**

进程程序替换图解

• Linux 中的指令都是用 C语言 写的可执行程序，所以可以进行替换
• bash 运行后，输入 指令 本质上就是在进行程序替换

关于简易版

bash

的实现方法，将在下篇文章中揭晓

---

2、七大替换函数

**进程程序替换函数共有七个，其中六个都是在调用函数6，因此函数6

execve

才是真正的系统级接口**

各种替换函数间的关系

**这些函数都属于

exec

替换家族，所以它们的返回值都一样**

注意：**这七个函数只有在程序替换失败后才会有返回值，返回

-1

，程序替换成功后不返回**

程序都已经替换成功，后续代码也都将被替换，所以成功后的返回值也就没意义了

2.1、函数1 execl

**首先是最简单的替换函数

execl

**

#include<unistd.h>intexecl(constchar* path,constchar* arg,...);

函数解读

• 返回值：替换失败返回 -1
• 参数1：待替换程序的路径，如 /usr/bin/ls
• 参数2：待替换程序的名称，如 ls
• 参数3~N：待替换程序的选项，如 -a -l等，最后一个参数为 NULL，表示选项传递结束
• ... 表示可变参数列表，可以传递多个参数

注意：**参数选项传递结束或不传递参数，都要在最后加上

NULL

，类似于字符串的

'\0'

**

#include<stdio.h>#include<unistd.h>intmain(){//execl 函数printf("程序替换前，you can see me\n");int ret =execl("/usr/bin/ls","ls","-a","-l",NULL);//程序替换多发生于子进程，也可以通过子进程的退出码来判断是否替换成功if(ret ==-1)printf("程序替换失败！\n");printf("程序替换后，you can see me again?\n");return0;}

可以看出，**函数

execl

中的

命令+选项+NULL

是以

链式

的方式进行传递的**

2.2、函数2 execv

**替换函数

execv

是以顺序表

vector

的方式传递

参数2~N

的**

#include<unistd.h>intexecv(constchar* path,char*const argv[]);

函数解读

• 返回值：替换失败返回 -1
• 参数1：待替换程序的路径，如 /usr/bin/ls
• 参数2：待替换程序名及其命名构成的 指针数组，相当于一张表

注意：**虽然

execv

只需传递两个参数，但在创建

argv

表时，最后一个元素仍然要为

NULL

**

#include<stdio.h>#include<stdlib.h>//exit 函数头文件#include<unistd.h>#include<sys/types.h>#include<sys/wait.h>intmain(){//execv 函数pid_t id =fork();if(id ==0){printf("子进程创建成功 PID:%d   PPID:%d\n",getpid(),getppid());char*const argv[]={"ls","-a","-l",NULL};//argv 表，实际为指针数组execv("/usr/bin/ls", argv);printf("程序替换失败\n");exit(-1);//如果子进程有此退出码，说明替换失败}int status =0;waitpid(id,&status,0);//父进程阻塞等待if(WEXITSTATUS(status)!=255){printf("子进程替换成功，程序正常运行 exit_code:%d\n",WEXITSTATUS(status));}else{printf("子进程替换失败，异常终止 exit_code:%d\n",WEXITSTATUS(status));}return0;}

正常运行的情况

**错误运行的情况，改变

path

**

execv("/usr/bin", argv);//故意提供错误路径

与

execl

函数不同，**

execv

是以表的形式进行参数传递的**

2.3、函数3 execlp

**可能有的人觉得写

path

路径很麻烦，还有可能会写错，那么能否换成

自动挡

替换呢？**

答案是可以的，**

execlp

函数在进行程序替换时，可以不用写

path

路径**

#include<unistd.h>intexeclp(constchar* file,constchar* arg,...);

函数解读

• 返回值：替换失败返回 -1
• 参数1：待替换程序名，如 ls、pwd、clear
• 参数2~N：可变参数列表，为命令的选项

**

execlp

就像是

execl

的升级版，可以自动到

PATH

变量中查找程序**

注意：**只能在环境变量表中的

PATH

变量中搜索，如果待程序路径没有在

PATH

变量中，是无法进行替换的**

#include<stdio.h>#include<stdlib.h>//exit 函数头文件#include<unistd.h>#include<sys/types.h>#include<sys/wait.h>intmain(){//execlp 函数pid_t id =fork();if(id ==0){printf("you can see me\n");execlp("ls","ls","-a","-l",NULL);//程序替换printf("you can see me again?");exit(-1);}int status =0;waitpid(id,&status,0);//等待阻塞if(WEXITSTATUS(status)!=255)printf("子进程替换成功 exit_code:%d\n",WEXITSTATUS(status));elseprintf("子进程替换失败 exit_code:%d\n",WEXITSTATUS(status));return0;}

**使用

execlp

替换程序更加方便，只要待替换程序路径位于

PATH

中，就不会替换失败**

2.4、函数4 execvp

**

execv

加个

p

也能实现自动查询替换，即

execvp

**

#include<unistd.h>intexecvp(constchar* file,char*const argv[]);

函数解读

• 返回值：替换失败返回 -1
• 参数1：待替换程序名，需要位于 PATH 中
• 参数2：待替换程序名及其命名构成的 指针数组

#include<stdio.h>#include<stdlib.h>//exit 函数头文件#include<unistd.h>#include<sys/types.h>#include<sys/wait.h>intmain(){//execvp 函数pid_t id =fork();if(id ==0){printf("子进程创建成功 PID:%d   PPID:%d\n",getpid(),getppid());char*const argv[]={"ls","-a","-l",NULL};execvp("ls", argv);printf("程序替换失败\n");exit(-1);//如果子进程有此退出码，说明替换失败}int status =0;waitpid(id,&status,0);//父进程阻塞等待if(WEXITSTATUS(status)!=255){printf("子进程替换成功，程序正常运行 exit_code:%d\n",WEXITSTATUS(status));}else{printf("子进程替换失败，异常终止 exit_code:%d\n",WEXITSTATUS(status));}return0;}

**假若参数1

file

的路径不在

PATH

中，程序会替换错误**

execvp("a.out", argv);

**如果想替换自己写的程序，那么只需要将路径添加至

PATH

中即可**

2.5、函数5 execle

**

e

表示

env

环境变量表，可以将自定义或当前程序中的环境变量表传给待替换程序**

#include<unistd.h>intexecl(constchar* path,constchar* arg,...,char*const envp[]);

函数解读

• 最后一个参数：替换成功后，待替换程序的环境变量表，可以自定义

char*const myenv[]={"myval=100",NULL};//自定义环境变量表execle("./other/CPP",NULL, myenv);//程序替换

**替换为自己写的程序

CPP

**

//当前源文件为 test.cc 即 C++源文件// .xx 后缀也可以表示 C++源文件#include<iostream>usingnamespace std;externchar** environ;//声明环境变量表intmain(){int pos =0;//只打印5条while(environ[pos]&& pos <5){
    cout << environ[pos++]<< endl;}return0;}

按照预期替换程序并传入自定义环境变量表后

可以看到，**程序

CPP

中的环境变量表变成了自定义环境变量，即只有一个环境变量

myval=100

**

改变

execle

最后一个参数，传入默认环境变量表

externchar** environ;execle("./other/CPP",NULL, environ);//继承环境变量表

结论：如果主动传入环境变量后，待替换程序中的原环境变量表将被覆盖

**现在可以理解为什么在

bash

中创建程序并运行，程序能继承

bash

中的环境变量表了**

• 在 bash 下执行程序，等价于在 bash 下替换子进程为指定程序，并将 bash 中的环境变量表 environ 传递给指定程序使用
• 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

2.6、函数6 execve

**

execve

是系统真正提供的程序替换函数，其他替换函数都是在调用

execve

**

比如

• execl 相当于将链式信息转化为 argv 表，供 execve 参数2使用
• execlp 相当于在 PATH 中找到目标路径信息后，传给 execve 参数1使用
• execle 的 envp 最终也是传给 execve 中的参数3

#include<unistd.h>intexecve(constchar* filename,char*const argv[],char*const envp[]);

函数解读

• 返回值：替换失败返回 -1
• 参数1：待替换程序的路径
• 参数2：待替换程序名及其参数组成的 argv 表
• 参数3：传递给待替换程序的环境变量表

**替换

ls -a -l

程序**

externchar** environ;execve("/usr/bin/ls", argv, environ);

**替换为自定义程序

CPP

**

externchar** environ;execve("./other/CPP", argv, environ);

**替换函数除了能替换为

C++

编写的程序外，还能替换为其他语言编写的程序，如

Java

、

Python

、

PHP

等等，虽然它们在语法上各不相同，但在 OS 看来都属于

可执行程序

，数据位于

代码段

和

数据段

，直接替换即可**

**系统级接口是不分语言的，因为不论什么语言最终都需要调用系统级接口，比如文件流操作中的

open

、

close

、

write

等函数，无论什么语言的文件流操作函数都需要调用它们**

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2.7、函数7 execvpe

**对

execvp

的再一层封装，使用方法与

execvp

一致，不过最后一个参数可以传递环境变量表**

#include<unistd.h>intexecvpe(constchar* file,char*const argv[],char*const envp[]);

函数解读

• 返回值：替换失败返回 -1
• 参数1：待替换程序名，需要位于 PATH 中
• 参数2：待替换程序名及其命名构成的 指针数组
• 参数3：传递给待替换程序的环境变量表

externchar** environ;execvpe("ls", argv, environ);

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3、补充

最后再补充一些关于程序替换的知识

3.1、函数名记忆

**七大替换函数按

程序名+选项

传递方式可以分为两组**

• 列表：execl、execlp、execle
• 顺序：execv、execvp、execve、execvpe

可以看出，**列表传递中必有

l

，顺序传递则必有

v

**，函数名中字符的含义如下

• exec 该函数隶属于程序替换家族
• l 即 list，列表传递
• v 为 vector，顺序传递
• p 表示 PATH，根据程序名自动在 PATH 中查找
• e 则是 environ，是否手动传递环境变量表

3.2、替换现象

**子进程程序替换后，并不会创建新进程，而是对原有程序中的

数据

和

代码

进行修改，可以通过替换以下程序观察**

#include<iostream>#include<unistd.h>usingnamespace std;intmain(){while(1){
    cout <<"程序替换成功";
    cout <<" PID:"<<getpid()<<"   PPID:"<<getppid()<< endl;sleep(1);}return0;}

可以看到在进行程序替换后，子进程和待替换程序为同一个进程

• 这就表明程序替换并不是进程替换
• 因为是同一个进程，所以对父进程没有任何影响，体现了进程间的独立性

**在子进程执行程序替换前，子进程和父进程共享一份只读区域的数据，但因为发生了程序替换，触发

写时拷贝

机制，令子进程读取另一块区域的数据**

• 写时拷贝 在只读数据区也能触发，因为不能影响到父进程

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🌆总结

**以上就是本篇关于

Linux

进程程序替换的相关内容了，在本文中，我们知道了进行程序替换的目的，学习使用了程序替换相关的七大函数，最后还观察了程序替换后的神奇现象，在学完这些知识后，我们就可以实现一个简单的

bash

，体验一下在自己程序中输入指令操控

Linux

的奇妙体验**

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