Linux笔记---进程：进程替换

news2025/1/23 15:03:28

1. 进程替换的概念

进程替换是指在一个正在运行的进程中，用一个新的程序替换当前进程的代码和数据，使得进程开始执行新的程序，而不是原来的程序。

这种技术通常用于在不创建新进程的情况下，改变进程的行为。

我们之前谈到过fork函数，这个函数可以启动一个子进程，子进程继承了父进程的代码和数据。

在谈到进程替换之前，我们只能通过判断fork函数的返回值id来区分父子进程，并让二者运行不同的分支。而利用进程替换技术，我们可以将子进程的代码数据完全替换为另一个程序，实现我们所期望的，父子进程完全独立为两个不同的进程。

进程替换的原理

进程替换的原理涉及到操作系统的内存管理和进程控制。当一个进程调用exec系列函数时，操作系统会将新程序的代码和数据加载到内存中，并将其与当前进程的地址空间相关联。这个过程通常涉及到以下几个步骤：

加载新程序：操作系统将新程序的可执行文件从磁盘加载到内存中。
替换代码和数据：新程序的代码和数据会替换当前进程的代码和数据段。
更新进程状态：进程的状态会被更新，以反映新程序的执行状态。
执行新程序：进程开始执行新程序的入口点，通常是main函数。

在这个过程中，进程的标识符（PID）和其他一些属性（如打开的文件描述符、环境变量等）通常会保持不变。

2. exec进程替换函数

在Linux系统中，进程替换通常通过exec系列函数来实现，该系列函数包含在头文件<unistd.h>。

这些函数包括：

execl：执行一个新程序，参数以列表形式给出。
int execl(const char *pathname, const char *arg, ...);
execlp：执行一个新程序，参数以列表形式给出，并在环境变量PATH中搜索程序。
int execlp(const char *file, const char *arg, ...);
execle：执行一个新程序，参数以列表形式给出，并提供自定义的环境变量。
int execle(const char *pathname, const char *arg, ...);
execv：执行一个新程序，参数以数组形式给出。
int execv(const char *pathname, char *const argv[]);
execvp：执行一个新程序，参数以数组形式给出，并在环境变量PATH中搜索程序。
int execvp(const char *file, char *const argv[]);
execve：执行一个新程序，参数以数组形式给出，并提供自定义的环境变量。
int execve(const char *pathname, char *const argv[], char *const envp[]);
execvpe：执行一个新程序，参数以数组形式给出，并提供自定义的环境变量。
int execvpe(const char *file, char *const argv[], char *const envp[]);

这些函数的使用方式和参数传递方式略有不同，但它们的基本功能都是相同的：用新程序替换当前进程的代码和数据。

记忆技巧：

l(list)：表示参数采用列表。
v(vector)：参数用数组。
p(path)：到环境变量PATH中搜索指定程序，无需完整路径(带p的函数第一个参数为file，代表可执行程序；不带p的函数第一个参数为pathname，代表完整路径)。
e(env) : 表示自定义环境变量，不带e的表示继承当前的环境变量。

使用示例：

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

int main()
{
    char* vector[] = {"ls", "-l", "-a", NULL};
    int id = fork();
    if(id == 0)
    {
        execvp("ls", vector);
        return 0;
    }
    int pid = wait(NULL);
    return 0;
}

注意：传入的参数为命令行参数，也就是说在命令行要执行该程序需要输入什么，参数就传递什么，主要是不要忘记选项是从第二个参数开始的。

第一个参数传什么都不要紧，随你喜欢，但要记得传：

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

int main()
{
    char* vector[] = {"cxk", "-l", "-a", NULL};
    int id = fork();
    if(id == 0)
    {
        execvp("ls", vector);
        return 0;
    }
    int pid = wait(NULL);
    return 0;
}

execve函数

该函数相比于其他函数具有一定的特殊性，他是上述函数中唯一一个系统调用。

在命令行输入[man exec]能查到如下信息，可以看到并没有execve的存在，且这些函数都在3号手册当中：

只有单独查询execve函数时才能查到，可以看到该函数在2号手册(系统调用接口)中：

execve函数的特殊性：

系统调用层级的基础地位
execve在exec函数族中具有特殊的基础性地位。它是直接与系统调用接口紧密相连的函数。其他的exec系列函数（如execl、execv等）在很多情况下最终可能会调用execve来实现实际的进程替换操作。
例如，在一些库函数的实现中，为了提供更方便的参数传递方式（如execl的可变参数列表形式），可能会在内部对参数进行处理后调用execve来完成进程替换的核心功能。
参数处理方式的不同
execve的参数包含要执行的程序文件路径、传递给新程序的命令行参数数组以及环境变量数组。这种参数形式与其他exec函数有所不同。
像execl函数，它的参数是以可变参数列表的形式，最后以NULL结尾，这种形式在使用上有一定的便利性，但在底层实现中可能需要更多的转换工作才能与系统调用接口对接，而execve的参数形式更直接地反映了系统调用的需求。
安全和权限方面的考虑
由于execve是直接进行进程替换的底层函数，在安全和权限管理方面有着重要的作用。它对可执行文件的路径、执行权限等有着严格的要求。
当调用execve时，系统会根据文件的权限设置（如是否可执行、所属用户和组等）以及当前进程的权限来判断是否允许进程替换操作。这种严格的权限检查有助于保障系统的安全性。
与内核交互的特点
execve在与内核交互时，需要将新程序的代码和数据加载到当前进程的地址空间，同时更新进程的各种状态信息，如程序计数器、堆栈指针等。这个过程涉及到内核中的进程管理、内存管理等多个模块的协同工作。
相比其他exec函数，execve在与内核的这种深度交互方面更为直接，因为其他函数可能会在调用execve之前进行一些额外的参数处理或环境设置。