Linux-进程替换

news2024/9/17 7:46:47

进程程序替换目的

首先我们要知道，创建子进程的目的是什么？

想让子进程执行父进程代码的一部分
想让子进程执行一个全新的代码

我们之前所写的程序，子进程都是在执行父进程代码的一部分，而要想让子进程执行全新的代码，就需要进行进程程序替换
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了解程序替换

先来看看进程程序替换是什么
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上面这个父进程中fork了一个子进程，然后使用程序替换接口，替换了子进程的程序，父进程等待子进程结束，回收子进程

我们看一下程序替换的结果
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这里我们看到子进程进行程序替换成了ls进程

此时，使用我们自己的程序同样可以实现ls -al的功能，因为子进程执行的就是ls -a -l程序。因为程序替换成功了，所以返回ls程序的退出码，如果替换失败，就会执行exit(1)。

#include <unistd.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/wait.h>

int main() {
    pid_t child_pid;

    if ((child_pid = fork()) == 0) 
    { // 子进程
        if (execl("/bin/ls", "ls", "-a", "-l", NULL) == -1) 
        {
            perror("execl");
            exit(1);
        }
    } 
    else if (child_pid > 0) 
    { // 父进程
        int status;
        waitpid(child_pid, &status, 0);
        if (WIFEXITED(status)) 
        {
            printf("Child exited with status: %d\n", WEXITSTATUS(status));
        } 
        else 
        {
            printf("Child process terminated abnormally.\n");
        }
    } 
    else 
    {
        perror("fork");
        exit(1);
    }
    return 0;
}

程序替换的原理

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在子进程刚创建的时候，子进程和父进程通过页表映射到物理内存中空间是同一块空间，父子进程的代码段，数据段，堆，栈等区域都同一个。
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当子进程中执行exec*()函数的时候，会发生写时拷贝，将原本物理内存中的数据段和代码段拷贝一份，放在新的物理内存中。

将磁盘中要替换的可执行程序覆盖到新的物理内存中，并且改变子进程原本的页表映射关系。

仅程序发生了替换(数据段和代码段)，子进程的PCB中的task_struct仍然不变。

而且写时拷贝不仅在数据段发生，在代码段也可以发生，写时拷贝的目的同样是为了保证进程的独立性。程序替换之后，子进程执行的代码也不再是原本父进程中的代码，而是全新的代码，比如上诉例子中的ls程序。

程序替换函数

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第一个参数path表示要执行的程序的路径，第二个参数arg表示要执行的程序的名称，后面的参数是一系列字符串类型的参数，用于指定程序的参数。这里需要注意的是，最后一个参数必须是NULL，表示参数列表的结束。

#include <unistd.h>
#include <stdio.h>

int main() 
{
    if (fork() == 0)
     { // 子进程
        execl("/bin/echo", "echo", "Hello", "World!", NULL);
    } 
    else 
    { // 父进程
        wait(NULL);
    }

    return 0;
}

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第一个参数file表示要执行的程序的文件名（不包括路径），第二个参数arg表示要执行的程序的名称，后面的参数是一系列字符串类型的参数，用于指定程序的参数。最后一个参数必须是NULL，表示参数列表的结束。

#include <unistd.h>
#include <stdio.h>

int main() 
{
    if (fork() == 0) { // 子进程
        execlp("echo", "echo", "Hello", "World!", NULL);
    } 
    else 
    { // 父进程
        wait(NULL);
    }

    return 0;
}

注意：
execlp 函数的第一个参数是要执行的可执行程序的路径或名称。具体取决于使用的是相对路径还是绝对路径。

如果可执行程序位于当前工作目录（当前路径）中，你可以直接提供可执行程序的名称作为第一个参数。

如果可执行程序位于其他目录中，可以提供它的绝对路径或相对路径作为第一个参数。

绝对路径：完整的文件系统路径，例如 /home/user/myprogram。
相对路径：相对于当前工作目录的路径，例如 ./myprogram 或 ../folder/myprogram。

在调用 execlp 函数时，操作系统会根据给定的路径或名称去查找可执行程序，并在新的进程中执行它。

需要注意的是，execlp 函数会在系统的 PATH 环境变量定义的路径中查找可执行程序。因此，如果提供的是可执行程序的名称而不是完整路径，操作系统会根据 PATH 环境变量去寻找该程序。

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execle 函数与 execlp 类似，但它需要显式地指定可执行程序的路径，并允许传递环境变量。下面是 execle 函数的参数说明：
path: 可执行程序的路径。可以使用绝对路径或相对路径来指定。例如，/usr/bin/myprogram 或者 ./myprogram。
arg0, arg1, …: 命令行参数，用于传递给可执行程序。常见的约定是将第一个参数作为程序的名称。例如，myprogram。
envp: 带有环境变量的指针数组。环境变量的格式为 name=value。数组最后一个元素必须为 NULL，表示环境变量列表的结束。

#include <unistd.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>

int main() {
    char* args[] = {"echo", "$MY_VAR", NULL};
    char* env[] = {"MY_VAR=my_value", NULL};

    execle("/bin/echo", "echo", "$MY_VAR", NULL, env); // 运行 echo

    printf("Exec failed\n"); // 如果运行程序失败，这行代码将不会被执行

    return 0;
}

在上述代码中，我们使用 execle 来运行 echo 命令，并将 $MY_VAR 作为参数传递给它。

同时，我们将一个名为 MY_VAR 的环境变量设为 my_value，使用 env 数组将其传递给 execle。此时，当 echo 命令执行时，它将打印 $MY_VAR，而不是实际的值。但是由于我们提供了 MY_VAR=my_value 的环境变量，因此 echo 命令可以获取到 MY_VAR 的实际值，所以输出将是 my_value。

需要注意的是，execle 会替换当前进程，所以在执行成功之后，程序就不会再执行下面的代码。如果 execle 执行失败，则会继续执行下面的代码，这时我们可以根据自己的需求进行错误处理。

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