进程替换是什么

fork之后，父子进程各自执行父进程的代码的一部分，父子代码共享，数据写时拷贝各自一份。
但是，如果子进程不想执行父进程的代码，就想执行一个全新的代码呢？
这就需要用到 进程程序替换

所谓的程序替换，就是某进程通过特定的接口，加载磁盘上的一个全新的程序（代码和数据），加载到调用进程的地址空间中
从而达到 去执行其他程序的目的
下面的图解释了进程程序替换的基本过程

当然，上面的替换过程是 用操作系统的相关接口即可完成

两个问题：

1. 进程替换有没有创建新的子进程 ？
   没有！因为这里仅仅是加载，重新建立映射关系，进程的pcb、优先级、状态这种内核结构根本没有发生变化，因此并没有创建新进程
2. 如何理解所谓的将程序 放入 内存中？
   这个过程就是加载， 加载也有加载器（就像链接有链接器一样），操作系统帮你把数据从一个硬件（磁盘）搬到另一个硬件（内存），这个过程并不是从硬件层面上加载，而是操作系统提供了相关接口的！因此所谓的exec系列函数，本质就是如何加载程序的函数

基本操作

最简单的execl函数

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

首先要找到程序，path就是程序所在的路径 + 目标文件名。 注意path既可以是相对路径，也可以是绝对路径。
其中 ... 表示的是： 可变参数列表，即可以传入多个不定个数参数

除了path之外，后面的一串参数怎么传入呢？ 这一串参数表示你找到的这个程序，你想要怎么执行他 👇
在命令行上怎么执行，就在这里参数一个一个怎么填
比如： ls -a -l 这条命令， 在这里就是分别传入/usr/bin/ls，ls，-a，-l 这四个参数 注意，都是字符串形式！
如果不知道ls所在的位置，就可以利用 which ls找到其所在位置
但是，必须注意的是，最后一个参数必须以 NULL结尾！表示参数传递完毕
即传入：/usr/bin/ls，ls，-a，-l ，NULL

当然上面这样运行的ls命令是没有颜色的， 如果需要颜色，就可以在加一个参数: --color=auto

int main(){
  cout <<"当前进程的开始代码"<<endl;     //成功打印
  
  execl("usr/bin/ls","ls","-l","-a","--color=auto",NULL);
  
  cout <<"当前进程的结束代码"<<endl;     //不打印
}

为什么 main函数中的 执行完execl函数之后，后面代码不打印呢？？
因为，execl是程序替换，调用该函数成功之后，会将当前进程的所有代码和数据都进行替换，包括已经执行的和没有执行的！
执行完execl，代码和数据都换成了 usr/bin/ls的代码和数据，原来的代码都没了，去哪里执行呢？

excel返回值：

• 调用成功：没有返回值
• 调用失败：返回-1
  因为excel本身也属于原本进程的代码，替换成功之后，原本进程的代码和数据被替换掉，即excel本身和其返回值自然也被替换掉了
  所以execl的调用：
• 调用成功： 代码和数据全部被替换，后续所有代码，全都不会被执行！
• 调用失败：（比如调用不存在的命令），代码和数据不会被替换，会继续执行后续代码。

因此excel根本不需要函数返回值的判断，直接在excel后面加一个exit(1)即可，如果excel执行失败，后续代码就会执行，因此直接异常退出即可！

调用execl函数有两种方式：

1. 不创建子进程
   不创建子进程就是在本进程中调用execl（上面那种），然后本进程的代码和数据被替换为目标进程的代码和数据，该进程后面的代码就无法执行了。但是，如果在本进程进行替换，那么本进程后面的代码就失效了，因此常常使用创建子进程的方式让其进行程序替换！
2. 创建子进程
   让子进程去执行其他的代码，把子进程的程序做替换，子进程的程序和代码发生变化不会影响到父进程（独立性），子进程完成任务之后进行回收即可，父进程可以继续执行后面的代码并做收尾工作。

为什么要采用创建子进程的方式？ 这里有一个通俗的例子：
如果我这样做：

while(1)
{
	1. 显示一个提示行：root@localhost#
	2. 获取用户输入的字符串，fgets,scanf 。 -> ls -a -l
	3. 对字符串进行解析
	4. 然后利用execl()进行程序替换，执行得到的字符串对应的程序
}

那么上面这段伪代码，得到的是什么？ – 其实就是一个简单的shell

因此如果不创建子进程，替换的进程只能是父进程
如果创建了子进程：

• 替换的进程就是子进程，而不影响父进程
• 另一方面我们想让父进程聚焦在：读取数据、解析数据、指派进程执行代码的功能

注意
加载新程序之前，父子进程的数据和代码的关系： 代码共享，数据写时拷贝
当子进程加载新程序的时候，子进程要把自己的代码和数据进行替换，但是子进程的代码和数据都是继承自父进程。
数据进行替换的时候发生写时拷贝，可以做到。
但是，代码是和父进程共享的。 如果要把新的代码替换子进程的代码，即对代码进行写入。
也就意味着，必须将父子代码分离！ 如果不分离，替换之后立马会影响父进程！ 因此代码也会发生写时拷贝
这样，父子进程在代码和数据上就彻底分开了（虽然曾经并不冲突）

所以一般而言，父子进程代码数据共享，数据写时拷贝
但是在程序替换这种场景，代码和数据都要写时拷贝

其他函数

execv

int execv(const char* path, char* const argv[])
execl可以想象成是 exec + list，即后面的 l 我们看作list。 即他的参数像list的节点一样，一个一个往后跟
而execv可以看作 exec + vector，所以第二个参数开始传入参数的时候，把要传入的命令构建出一个 指针数组 （char*argv[]）
当然同样需要以NULL结尾。 和execl其实没有本质区别，只是参数传递的方式有所不同。

char* const argv[] = {"ls","-a","-l",NULL};
execv("/usr/bin/ls",argv);

execlp

int execlp(const char* file,const char* arg, ...)
这个函数相对于execl来说，名字多了一个p，第一个参数从path变成file 也就是只需要给文件名，不需要给文件路径
但是要执行程序，必须先找到程序。 如果不带路径，如何找到程序呢？
— 利用环境变量可以找到

因此，execlp会自己在系统环境变量PATH中进行查找，不用告诉他要执行的程序在哪里。
（除此之外，带p的函数一般就是会自动去PATH中查找程序）

//用法：
execlp("ls","ls","-a","-l",NULL);

这里不免会产生一个问题
execlp("ls","ls","-a","-l",NULL) ， 第一个已经传递了一个"ls", 为什么还要传递一个 “ls” ？？

因为这里的两个ls表示的意义并不一样， 第一个 ls 表示 文件名

1. 第一个ls 表示文件名，要执行谁，是为了找到程序
2. 第二个ls 表示如何执行文件，即程序能找到，要传递什么选项

多知道一些

程序替换所用的后面的一系列参数，非常像main函数的命令行参数，他也是以NULL结尾的。
所以目标程序才能获得这些参数来执行
实际上，就是exec系列函数，把参数传递给 目标要替换程序的命令行参数
在这个例子里， 就是 "ls" "-a" "-l" NULL 这些参数，通过execlp函数，传递给 ls这个可执行程序的命令行参数来执行程序。

execvp

int execvp(const char*file , char* const argv[]
这个函数就要对比execv函数来看了，因为带了p，所以就是会自己在环境变量PATH中查找，其他的用法和execv一样

```c
char* const argv[] = {
 （char*)"ls",
  (char*)"-a",
  (char*)"-l",
  NULL
};
execvp("ls",argv);

为什么是 char* const类型 而不是 const char*? 或者 const char* const 或者char*
看笔者这一片文章：👉戳我

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如何执行其他程序自己写的C、C++程序

我想用我写的程序A，调用我写的程序B，如何实现？
以一个代码作为例子：
mycmd.cpp:

//mycmd.cpp
#include<iostream>
#include<string.h>
#include<stdlib.h>
using namespace std;
// 假设只有 mycmd -a/-b/-c 选项
// argc为命令行参数数量， argv是传递的命令行参数
int main(int argc,char* argv[]){
  
  if(argc!=2) {
    cout <<"can not execute"<<endl;// 如果一个选项都不传递，就无法执行
    exit(1);
  }
  

  //如果传递的第一个参数是a，就执行这个
  if(strcmp(argv[1],"-a") == 0){
    cout <<"hello a!"<<endl;
  }
  //如果传递的第一个参数是b
  else if(strcmp(argv[1],"-b") == 0){
    cout <<"hello b!"<<endl;
  }
  else{
    cout <<"default"<<endl; 
  }
  return 0;
}

exec.cpp:

#include<iostream>
using namespace std;
#include<unistd.h>
#include<stdlib.h>
#include<sys/wait.h>
const char* path = "./mycmd";//相对路径
const char* path1= "/home/ky/process_replace/execute_other_cpp/mycmd"; //绝对路径
int main(){

  pid_t id = fork();
  //子进程进行程序替换
  if(id == 0){
    cout <<"子进程开始运行"<<endl;
    execl(path,"mycmd","-a",NULL); //传递mycmd.cpp生成的可执行程序 mycmd
    exit(1);
  }
  //父进程阻塞等待
  else{
    cout <<"父进程开始运行,pid:  " << getpid() <<endl;
    int status = 0;
    pid_t ret = waitpid(-1,&status,0);

    //等待子进程成功,子进程退出
    if(ret > 0){
      cout<<"wait success! the exit code is:"<<WEXITSTATUS(status) <<endl;
    }

  }
  return 0;
}

这里因为要执行另一个cpp程序即：mycmd
因此要用到mycmd.cpp编译好的mycmd可执行文件，因此可以利用makefile同时编译两个cpp文件 makefile一次形成两个可执行

如何执行其他语言的程序,如python

方法1：利用程序替换

因为相比于C/C++这种纯编译性语言，python、shell、java、javac这样的语言都是有对应的解释器的。解释器就是一个程序，python test.py 其实就是把test.py作为一个参数的形式，传递给python解释器这个可执行程序，然后再python程序内部直接去执行解释这个文件。
如下面是一个test.py文件

#! /usr/bin/python3.6
print("hello python")

# [root]$ python test.py   -> 命令行执行py文件

即python test.py就对应ls -al
用到exec系列函数，那么path就对应的python解释器的文件路径，而后面就是在命令行执行的参数

# 子进程中：
execlp("python","python","test.py",NULL);

下面是一个test.sh即shell脚本

#! /usr/bin/bash
echo "hello shell"

执行 shell test.sh

用到exec系列函数，同理：

execl("/usr/bin/ bash","bash","test.sh",NULL); 

补充知识
这里注意到 #! /usr/bin/bash 这样的注释，是linux下对于脚本语言指定特定的脚本解释器。
linux系统下脚本特殊注释指定解释器

方法2：利用更改执行权限

以python文件为例，可以给文件添加执行权限， 然后利用./test.py即可运行
chmod +x test.py ： 给test.py添加x权限
这样在执行这个python脚本，实际上它是会自动找到python的解释器，直接执行代码
这样如果带了可执行权限，就等价于：

execlp("./test.py","test.py",NULL)

也就是说，本身exec系列函数就可以执行任何程序（因为是系统调用）
注意，必须在test.py即脚本程序中指定解释器，不然就会出现下面的错误：

---

execle

int execle(const char* path, const char* arg, ... , char* const envp[]
对于基础的exec， l表示想怎么执行这个程序，就把程序一个一个的传递，所以第二个参数是一个可变参数列表
对于e表示环境变量，但是并没有带p，因此就要带全路径path，e则带了一个char* const envp[] 的参数，这是一个环境变量。即，自己主动传递环境变量。
因为最终目标要替换的进程的程序路径、参数选项、环境变量，是由execle这个系统接口，传给要替换的程序的main函数的
execle的使用场景：
execle用在需要传递环境变量的场景，如果期望替换后的程序需要使用原进程（或者原进程的父进程）的环境变量，那么可以使用execle函数传递环境变量

环境变量具有全局属性，可以被子进程继承下去
环境变量是一个指针数组，并且是kv模型， 每个元素都"key=value"
父进程的环境变量，子进程可以直接用

示例: exec调用mycmd, mycmd获取指定的环境变量，exec程序替换时传递环境变量给mycmd

// mycmd.cpp，获取 MY_VAR这个环境变量
#include<iostream>
#include<string.h>
#include<stdlib.h>
#include<stdio.h>
using namespace std;
// 假设只有 mycmd -a/-b/-c 选项
// argc为命令行参数数量， argv是传递的命令行参数
int main(int argc,char* argv[]){
  
  if(argc!=2) {
    cout <<"can not execute"<<endl;// 如果一个选项都不传递，就无法执行
    exit(1);
  }
  
  //获取环境变量
  printf("获取环境变量：%s\n",getenv("MY_VAR"));

  //如果传递的第一个参数是a，就执行这个
  if(strcmp(argv[1],"-a") == 0){
    cout <<"hello a!"<<endl;
  }
  //如果传递的第一个参数是b
  else if(strcmp(argv[1],"-b") == 0){
    cout <<"hello b!"<<endl;
  }
  else{
    cout <<"default"<<endl; 
  }
  return 0;
}

//exec.cpp ，调用execle函数，进程替换的同时，传递环境变量
#include<iostream>
using namespace std;
#include<unistd.h>
#include<stdlib.h>
#include<sys/wait.h>
const char* path = "./mycmd";//相对路径
int main(){

  pid_t id = fork();
  // 定义环境变量
   char* const env[]={
    (char*)"MY_VAR=Process replace",
    (char*)"mode=easy",
    NULL 
  };

  //子进程进行程序替换
  if(id == 0){
    cout <<"子进程开始运行"<<endl;
   
    execle(path,"mycmd","-a",NULL,env); //进程替换
    
    exit(1);
  }

  //父进程阻塞等待
  else{
    cout <<"父进程开始运行,pid:  " << getpid() <<endl;
    int status = 0;
    pid_t ret = waitpid(-1,&status,0);

    //等待子进程成功,子进程退出
    if(ret > 0){
      cout<<"wait success! the exit code is:"<<WEXITSTATUS(status) <<endl;
    }
  }
  return 0;
}

execvpe

int execvpe(const char *file, char *const argv[],char *const envp[]);
p表示程序会在环境变量中找
v表示命令行参数的传递不是采用可变参数列表，而是采用一个char*数组来接受。简单

char* const env[]={
	(char*)"MY_VAR=123456789",
	NULL
};
char* const argv[]={(char*)"mycmd",(char*)"-a",NULL};
execvpe("mycmd",argv,env); //自动在PATH中找mycmd

前提是：要先把mycmd所在的文件夹导入到系统的环境变量PATH中才可以，因为这个mycmd是你自己写的程序。

echo $PATH  #输出当前环境变量
export PATH=$PATH:.  # 配置环境变量为之前的环境变量 + 当前目录

# : 是环境变量的分隔符

不用担心，这是更改的用户环境变量，退出窗口下次登录又回到默认了

总结

exec* 系列函数： 功能实际上就是加载器的底层接口，用这样的接口实际上就可以把任何程序加载进来。

区分execve和其他函数

1. execl
2. execlp
3. execle
4. execv
5. execvp
6. execvpe

上面这六个，严格意义上来讲，都不是系统直接提供给我们的！准确的说他们是C库函数，而系统直接给我们提供的类似程序替换的接口其实只有一个，而是 execve

int execve(const char* filename,char* const argv[],char* const envp[])
这个函数是系统内核可调用函数，即系统调用
如何验证呢？ 上面的6个使用man 3查询，而execve是用man 2查询，这点就可以看出

注意：这里的execve没有带p，因此filename也是需要提供全路径的
当然在程序里也可以直接使用execve这个系统调用，而不使用上面的C库函数

但上面的6个接口，底层实际上都调用的 execve这个函数，他们会把接收到的参数做合并和其他处理，最后处理成符合 execve 接口参数的要求。

之所以要提供这些封装，是因为应用程序替换接口时的场景不一样，有时候知道程序的路径，有时候只知道程序名，有时候参数是一个个可以传，有时候必须使用数组，有时候要带环境变量，有时候不用带。
封装这些的最终目的就是满足上层调用的不同场景。

为什么要进行程序替换（总结）

一定和应用场景有关，我们有时候，必须让子进程来执行新的程序！！