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进程的程序替换——exec系列函数的使用

web 2025/5/6 9:28:39

目录

前言

一、替换函数

二、程序替换的本质

一些细节：

三、程序替换与环境变量间的关系

1.介绍其他参数的意义并总结

2.自定义环境变量

1）通过execcle传参全局环境变量

2）通过execcle传参自定义环境变量

3）将自定义环境变量通过putenv导入全局环境变量后

3.execve系统调用

最后有个小问题，当我们通过子进程实现进程替换是时，是先调用的main函数，还是先调用的exec*函数呢？

总结

前言

我们创建子进程的目的无外乎两种：

①是想让子进程执行父进程代码的一部分，比如同时运行父进程的if -else if 条件语句：

②想让子进程执行一个磁盘中的全新的程序。

进程程序替换谈的就是如何让子进程执行一个全新的程序。

一、替换函数

为了让子进程执行新的程序，Linux系统为我们提供了一些相关函数：exec系列函数，如下图所示。提供这么多函数的目的是满足在不同的使用场景下的使用需求，但他们的核心逻辑是一样的。

让我们先以execl函数为例，解释这些参数都有哪些含义。

首先要明白的是，运行一个新的程序，得满足两个步骤：先得在磁盘中找到指定程序加载到磁盘中，其次是如何执行，会带哪些选项。

const char * path：path就记录着新程序在磁盘中的位置，即路径。

const char *arg：arg则记录着用户想要执行得选项有哪些，所以后面跟有“……”，因为选项有时很多，如ls -a -l指令。但值得注意的是参数列表需以NULL结尾。

execl运行失败则返回-1，成功则无返回值。

上述看着有些有些抽象，笔者结合fork、waitpid等编写一段代码以实现ls指令先供笔者参考，好在脑中有个概念。

在子程序实现中运行ls -a -l指令：

注意在命令行怎么写的指令，在execl中就怎么传。

#include<stdio.h>
#include<unistd.h>
#include<stdlib.h>//exit
#include<sys/types.h>//waitpid
#include<sys/wait.h>//waitpid
int main()
{pid_t id=fork();if(id<0){perror("error fork:\n");exit(1);//判断子进程是否创建成功}if(id==0){//子进程execl("/usr/bin/ls","ls","-a","-l",NULL);exit(1);//如果运行到这里说明execl运行出错}int status=0;waitpid(id,&status,0);if(WIFEXITED(status)){printf("child exit code:%d\n",WEXITSTATUS(status));}else{printf("error waitpid\n");}return 0;
}

执行结果：

二、程序替换的本质

我们知道，进程在内存中有着task_struct(PCB)结构体，用于记录进程代码与数据存在于物理地址的何处。而程序替换的本质，就是将指定程序的代码和数据加载到子进程的物理地址，将原代码和数据覆盖。

换句话说，进程替换只替换内存中的代码和数据，而与task_struct页表等内核数据结构无关。所以进程替换并没有创建新进程，而是在原进程基础上的替换操作。

一些细节：

1）值得注意的是：在execl函数之后的代码是不会执行的，如上述代码中execl之后的exit(1)，因为原代码和数据已经被替换了，除非execl执行失败。这也是为什么进程替换一般通过子进程去做的原因。

2）现在也便能理解为什么exec系列函数执行成功后无返回值，因为没有意义——源代码已经被替换了。

3）进程替换并不会影响父进程，由于写实拷贝保证的进程独立性，当执行execl时会拷贝立即发生写实拷贝。

三、程序替换与环境变量间的关系

1.介绍其他参数的意义并总结

exec系列的函数，他们的核心逻辑是一样的，但各参数不同，原因是为满足在不同的使用场景下的使用需求。

如execvp函数

file参数：如果该程序在环境变量PATH中有记录，那么只用传程序名即可。

对环境变量有疑的可参考：进程优先级介绍，详解环境变量，详解进程地址空间-CSDN博客

argv【】数组：将所有执行参数，放入数组中统一传递。

2.自定义环境变量

经过上述总结，其他的参数读者大概已经有数，那说半天程序替换和环境变量在哪有直接联系呢？

如上图execle中的参数，前俩个参数已经介绍过了，第三个参数envp[ ]的作用是:导入环境变量

这个环境变量可以是：

①系统的全局环境变量

②是父进程自定义的环境变量

③也可以通过putenv将自定义环境变量导入到全局环境变量中实现一起使用

下面分别介绍上述三种情况。

1）通过execcle传参全局环境变量

这里笔者先创建了一个myproc程序：

然后将上面execl的示例程序中的execl改成execle，用execle替换上述写的myproc程序。

然后执行结构是：

可以看到PATH全局环境变量打印出了，自定义环境变量没打印

2）通过execcle传参自定义环境变量

这里在函数内部创建了一个MYENV的数组，并传给了execle函数

执行结果：

可以看到PATH全局环境变量没打印，自定义环境变量打印了

3）将自定义环境变量通过putenv导入全局环境变量后

执行结果：

可以看到全局环境变量与自定义环境变量都打印出来了

总结：

到这里exec*函数系列的所有参数都讲解完毕，使用时具体用哪个，完全看使用环境选择合适参数

3.execve系统调用

上面的exec*系列的函数其实都是基于execve系统调用做的封装，由于系统自带的程序替换execve功能单一，于是C库通封装给出了六个在不同场景下使用的exec*系列函数，使用户有更多的选择性。

**最后有个小问题，当我们通过子进程实现进程替换是时，是先调用的main函数，还是先调用的exec*函数呢？**

答案是先调用的exec*函数！

让我们回忆一下程序执行的过程，首先是将磁盘中的可执行文件的代码调入内存，创建PCB等内核数据结构对吧？那问题是系统是怎么调的呢，其实系统正是通过execve系统调用加载的，execve本质就是个加载器，只有先将代码调入内存，才谈得上执行，故exec*系类函数先于main函数执行。

所有main函数的3个参数，其实是exec*系列的函数传给它的！