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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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🌇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” ？

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🏙️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

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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>

int execl(const char* path, const char* 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>

int main()
{
  //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");
  return 0;
}

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>

int execv(const char* 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>

int main()
{
  //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));
  }

  return 0;
}

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>

int execlp(const char* file, const char* 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>

int main()
{
  //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));
  else
    printf("子进程替换失败 exit_code:%d\n", WEXITSTATUS(status));

  return 0;
}

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>

int execvp(const char* 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>

int main()
{
  //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));
  }

  return 0;
}

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>

int execl(const char* path, const char* 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>

using namespace std;

extern char** environ;	//声明环境变量表

int main()
{
  int pos = 0;
  //只打印5条
  while(environ[pos] && pos < 5)
  {
    cout << environ[pos++] << endl;
  }
  return 0;
}

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

 extern char** 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>

int execve(const char* 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

extern char** environ;

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

替换为自定义程序 CPP

extern char** 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>

int execvpe(const char* 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

extern char** 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>

using namespace std;

int main()
{
  while(1)
  {
    cout << "程序替换成功";
    cout << " PID:" << getpid() << "   PPID:" << getppid() << endl;
    sleep(1);
  }

  return 0;
}

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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