深入理解Linux进程程序替换从原理到实践
深入理解Linux进程程序替换：从原理到实践
前言：一个司空见惯的现象
当我们打开终端，输入 ls -la 并按下回车时，发生了什么？ bash 进程并没有消失，而是 ls 程序神奇地运行了起来并显示了结果。这背后正是 进程程序替换的魔法。
本文将深入探讨Linux中进程程序替换的机制，带你理解这个强大而重要的概念。
一、什么是进程程序替换？
用fork创建子进程，父进程需要子进程调执行另外的代码，当子进程往往要调用exec函数，以执行另一个程序
1. 当进程调用exec函数时，对进程有什么影响？
该进程的代码和数据完全被新程序替换，替换完之后，运行成功，原代码之后的代码不会运行，运行失败，原代码之后的代码任然会运行,并且子进程的pid并不会改变
原理：
将磁盘中的内存，加载入内存结构。
重新建立页表映射，谁执行程序替换，就重新建立谁的映射（下图为子进程建立）。
效果：让父进程和子进程彻底分离，并让子进程执行一个全新的程序。
这里左边基本不发生变化，右边将磁盘的上的程序加载到内存，并和当前进程的页表，重新建立映射，这就是进程替换。
这个过程有没有创建新的进程呢？
没有，因为子进程的内核数据结构根本没变，只是重新建立了虚拟地址和物理地址之间的映射关系。内核数据结构没有发生任何变化，包括进程的pid都没变，说明没有创建子进程
2.验证执行exec函数之后，代码不会继续后续的原代码
linux代码：
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
int main()
{
printf("pid: %d, exec command begin\n", getpid());
// 用 execl 这个函数来调用系统的命令
execl("/usr/bin/ls", "ls", "-a", "-l", NULL);
printf("pid: %d, exec command end\n", getpid());
return 0;
}结果：
！！！原代码并没有输出 printf(“pid: %d, exec command end\n”, getpid());
3.验证子进程的替换并不会创建新的进程
代码：
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/wait.h>
#include <stdlib.h>
int main()
{
pid_t id = fork(); // 创建子进程
if (id == 0)
{
// 这里是子进程
printf("pid: %d, exec command begin\n", getpid());
sleep(3);
// 用 execl 这个函数来调用系统的命令
execl("/usr/bin/ls", "ls", "-a", "-l", NULL);
printf("pid: %d, exec command end\n", getpid());
exit(1); // execl 这个函数如果执行成功，就不会来到这下面的语句，如果执行失败才会来到这里，所以我们这里就直接退出
}
else
{
// 这里是父进程
pid_t rid = waitpid(-1, NULL, 0);
if (rid > 0)
{
printf("wait scuess, rid: %d\n", rid);
}
}
return 0;
}结果：
由父进程等待子进程，获取子进程pid可以知道，子进程的pid并没有变化，所以程序替换不会改变子进程的pid
二、为什么需要进程程序替换？
父进程创建子进程的目的有两种：
1.子进程执行父进程代码的一部分
2.让子进程运行一个全新的程序
允许程序在运行时决定要加载和执行哪些其他程序。
三、exec函数族：替换的利器
Linux提供了exec系列函数来完成程序替换，它们都定义在<unistd.h>头文件中。
1.函数家族概览
2.函数命名规律：
l (list)：参数以列表形式传递
v (vector)：参数以数组形式传递
p(path)：在PATH环境变量中查找程序
e (environment)：可自定义环境变量
四、实战演示：各种exec函数的使用
小编用相近的函数来输出
1.execl 与execv
1.1execl
列表参数
int execl(const char *path, const char *arg0, ..., (char *)NULL);示例：
！！！需要以NULL结尾
// 执行 /bin/ls -l -a
execl("/bin/ls", "ls", "-l", "-a", NULL);1.2execv
列表参数
int execv(const char *path, char *const argv[]);示例：
！！！char * argv[]这个数组需要以NULL结尾
char *argv[] = {"ls", "-l", "-a", NULL};
execv("/bin/ls", argv);2.execlp与execvp
这里只比execl和execv多了个p，p有啥用呢？简化！有了p之后，原本第一参数需要输入完整的路径，现在只需要输入那个程序（环境变量中有的）
2.1execlp
列表参数：
int execlp(const char *file, const char *arg0, ..., (char *)NULL);示例：
// 执行 ls -l -a（自动在PATH中查找ls）
execlp("ls", "ls", "-l", "-a", NULL);2.2 ececvp
列表参数
int execvp(const char *file, char *const argv[]);示例:
char *argv[] = {"ls", "-l", "-a", NULL};
execvp("ls", argv);3.execle 与execve
这里只比execl和execv多了个e，e有啥用呢？有了e,便可自己创建的环境变量，如果没有创建自己的环境变量，子进程会默认继承父进程的环境变量，父进程的环境变量是全局性的
3.1ececle
列表参数：
int execle(const char *path, const char *arg0, ..., (char *)NULL, char *const envp[]);示例：
char *envp[] = {"MY_VAR=hello", "PATH=/usr/bin", NULL};
execle("/bin/bash", "bash", "-c", "echo $MY_VAR", NULL, envp);3.2execve
列表参数：
int execvpe(const char *file, char *const argv[], char *const envp[]);示例：
char *argv[] = {"bash", "-c", "echo $CUSTOM_VAR", NULL};
char *envp[] = {"CUSTOM_VAR=test_value", "PATH=/bin", NULL};
execvpe("bash", argv，envp);4.验证父进程的环境变量是原封不懂传给子进程
例子是网上找的！！！
代码：
#define _POSIX_C_SOURCE 200112L
#define _GNU_SOURCE
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>
#include <sys/wait.h>
#include <sys/types.h>
extern char **environ;
// 打印环境变量的函数
void print_environment(const char *title) {
printf("=== %s ===\n", title);
for (char **env = environ; *env != NULL; env++) {
printf("%s\n", *env);
}
printf("====================\n\n");
}
int main() {
// 1. 先打印父进程的原始环境变量
print_environment("父进程原始环境变量");
// 2. 添加一个新的环境变量到父进程
setenv("PARENT_VAR", "parent_value", 1);
setenv("SHARED_VAR", "original_value", 1);
printf("在父进程中设置环境变量后:\n");
printf("PARENT_VAR=%s\n", getenv("PARENT_VAR"));
printf("SHARED_VAR=%s\n", getenv("SHARED_VAR"));
printf("\n");
// 3. 再次打印父进程环境变量
print_environment("父进程设置变量后环境变量");
pid_t pid = fork();
if (pid == 0) {
// 子进程
printf("子进程开始执行...\n");
// 4. 打印子进程继承的环境变量
print_environment("子进程继承的环境变量");
printf("子进程中读取环境变量:\n");
printf("PARENT_VAR=%s\n", getenv("PARENT_VAR"));
printf("SHARED_VAR=%s\n", getenv("SHARED_VAR"));
printf("\n");
// 5. 在子进程中修改环境变量
setenv("CHILD_VAR", "child_value", 1);
setenv("SHARED_VAR", "modified_by_child", 1);
printf("子进程修改环境变量后:\n");
printf("PARENT_VAR=%s\n", getenv("PARENT_VAR"));
printf("SHARED_VAR=%s\n", getenv("SHARED_VAR"));
printf("CHILD_VAR=%s\n", getenv("CHILD_VAR"));
printf("\n");
// 6. 使用execvpe执行env命令，显示最终环境变量
char *argv[] = {"env", NULL};
char *envp[] = {
"CUSTOM_VAR=custom_value",
"PATH=/usr/bin:/bin",
"TERM=xterm",
NULL
};
printf("使用execvpe执行env命令...\n");
execvpe("env", argv, envp);
// 如果execvpe失败
perror("execvpe failed");
exit(1);
} else if (pid > 0) {
// 父进程
wait(NULL); // 等待子进程结束
printf("\n父进程在子进程结束后:\n");
printf("PARENT_VAR=%s\n", getenv("PARENT_VAR"));
printf("SHARED_VAR=%s\n", getenv("SHARED_VAR"));
// 检查CHILD_VAR是否存在
char *child_var = getenv("CHILD_VAR");
printf("CHILD_VAR=%s\n", child_var ? child_var : "(null)");
printf("\n验证：子进程的环境修改不影响父进程\n");
} else {
perror("fork failed");
return 1;
}
return 0;
}结果：
配置后，我们能在环境变量找到它吗？能
父进程修改后子进程会继承吗？答案是会！！！
子进程环境变量的改变会影响父进程吗？不会！！！
当我们进行程序替换的时候,子进程的环境变量是从父进程继承过来的，父进程的换将变量是从哪里来的呢？是从shell来的