从理论到实践：Linux 进程替换与 exec 系列函数

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前言：

在Linux中，进程替换（Process Substitution）是一个非常强大的特性，它允许将一个进程的输出直接当作一个文件来处理。这种技术通常用于Shell脚本和命令行操作中。

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进程替换原理

进程替换(Process Replacement)是操作系统用来用一个新程序完全替换当前进程用户态内容的机制，其本质是清空当前进程的用户态内容并加载新程序，同时保留内核态资源（如 PID、文件描述符等）。它通过 exec 系列系统调用实现，以下是进程替换的详细原理。

进程替换的核心是：

清空当前进程的用户态地址空间，包括代码段、数据段、堆、栈等。
加载新程序到当前进程的地址空间，并切换到新程序的入口点执行。
保留进程的内核态资源，如 PID、打开的文件描述符、父子关系等。
如果 exec 调用成功，原进程的代码永远不会被执行。

#include <iostream>
#include <unistd.h>
#include <sys/wait.h>
#include <cstdlib>  

using namespace std;

int main() {
    // 输出当前进程的 PID（进程 ID）和 PPID（父进程 ID）
    cout << "I'm a process: " << "PID: " << getpid() << " PPID: " << getppid() << endl;

    // 调用 fork() 创建子进程
    pid_t id = fork();

    // 子进程逻辑
    if (id == 0) {
        
        cout <<"Child PID: "<< getpid() << endl;//打印子进程的PID
        // 使用 execl() 替换当前子进程为 /usr/bin/ls 程序
        // 第一个参数是程序路径，第二个参数是程序名称（通常为 argv[0]），后面是命令行参数
        execl("/usr/bin/ls", "ls", "-l", "-a", NULL);
        
        // 如果 execl() 执行失败（例如文件不存在），会执行以下代码
        perror("execl failed"); // 输出错误信息
        exit(1); // 子进程以退出码 1 结束
    }
    // 父进程逻辑
    // 使用 waitpid() 等待子进程结束
    int ret = waitpid(id, NULL, 0); // 第二个参数为 NULL，表示忽略子进程的退出状态
    if (ret > 0) {
        // 如果 waitpid() 成功返回，表示子进程已结束
        cout << "Father PID: " << getpid() << " " << "Child PID: " << ret << endl;

    return 0; // 父进程正常退出
}

执行流程

程序开始：
- 父进程运行，打印自己的 PID 和 PPID（错误地显示 PPID 为自己的 PID）。
创建子进程：
- fork 创建一个子进程。
子进程执行 execl：
- 子进程替换为 /usr/bin/ls 程序，并执行 ls -l -a 命令，列出当前目录中所有文件（包括隐藏文件）的详细信息。
- 如果 execl 成功，子进程的地址空间完全被 ls 程序覆盖。
- 如果 execl 失败，执行 exit(1)，子进程退出，返回码为 1。
父进程等待子进程：
- 父进程调用 waitpid，阻塞等待子进程终止。
- 当子进程完成后，waitpid 返回子进程的 PID。
父进程打印结果：
- 父进程输出自己的 PID 和已终止的子进程的 PID。

在这里插入图片描述

子进程的PID没有变化，发成了进程替换。

`exec`系类函数

exec 系列函数是 UNIX/Linux 系统中用于进程替换的函数集合。通过 exec 系列函数，当前进程的用户态内容（如代码段、数据段、堆、栈等）会被新程序替换，而进程的内核态资源（如 PID、打开的文件描述符等）被保留。

exec 系列函数不创建新进程，只是在当前进程中加载并运行一个新程序。

exec 系列函数的成员

在这里插入图片描述

L：可以理解list

V：可以理解Vector

`execl`

int execl(const char *path, const char *arg0, ..., NULL);

参数说明

path：
- 新程序的文件路径（可以是绝对路径或相对路径）。
- 如 /bin/ls 或 ./myprogram。
arg0, ..., NULL：
- 传递给新程序的参数列表，按照顺序传递给新程序的 argv 数组。
- arg0 通常是程序名，相当于 argv[0]。
- 后续的参数是传递给新程序的命令行参数，相当于 argv[1], argv[2], ...。
- 参数列表必须以 NULL 结束。
示例：

execl("/bin/ls", "ls", "-l", "-a", NULL);

`execlp`

int execlp(const char *file, const char *arg0, ..., NULL);

参数说明

file：
- 新程序的文件名。
- 如果 file 不包含斜杠（/），execlp 会根据 PATH 环境变量搜索可执行文件。
- 如果 file 包含斜杠，则直接视为路径，无需搜索 PATH。
arg0, ..., NULL：
- 传递给新程序的参数列表，必须以 NULL 结束。
- arg0 通常是程序名，相当于 argv[0]。
- 后续参数为程序的命令行参数，相当于 argv[1]、argv[2] 等。
示例

execlp("ls", "ls", "-l", "-a", NULL);

`execle`

int execle(const char *path, const char *arg0, ..., NULL, char *const envp[]);

参数说明：

path：

新程序的文件路径，可以是绝对路径或相对路径。
如 /bin/ls 或 ./myprogram。

arg0, ..., NULL：

传递给新程序的参数列表，必须以 NULL 结束。
arg0 通常是程序名，相当于 argv[0]。
后续参数为程序的命令行参数，相当于 argv[1], argv[2], ...。

envp：

一个指向环境变量字符串数组的指针。
每个环境变量字符串的格式为 key=value（例如，PATH=/usr/bin）。
如果希望新程序继承当前进程的环境变量，可以手动传递当前进程的 environ。

#include<iostream>
#include<unistd.h>
#include<stdlib.h>
#include<sys/wait.h>
#include<sys/types.h>
  
using namespace std;
  
int main()    
{     
      cout << "I'm a process: "<<"PID:"<<getpid()<< " PPID: "<< getpid()<< endl;    
      pid_t id = fork();    
      char *envp[] = {    
        "MY_VAR=HelloWorld",    
        "PATH=/bin:/usr/bin",    
          NULL    
      };     
      if(id == 0)    
      {    
          cout <<"Child PID: "<< getpid() << endl;    
          execle("/usr/bin/env","env",NULL,envp);                                  
          exit(1);    
      }    
      int ret = waitpid(id,NULL,0);    
      if(ret > 0)    
      cout << "Father PID: "<<getpid()<< " " <<"Child PID: "<< ret << endl;    
      
      
      return 0;    
}

`execv`

int execv(const char *path, char *const argv[]);

参数说明

path: 指向可执行文件路径的字符串（以 \0 结尾）。
argv: 一个字符串指针数组，用于传递给新程序的参数列表。数组的第一个元素通常为程序名称（argv[0]），最后一个元素必须为 NULL，以标记参数列表结束。

示例：

#include<iostream> 
#include<unistd.h> 
#include<stdlib.h> 
#include<sys/wait.h> 。
#include<sys/types.h> 

int main()
{
    // 输出当前进程的 PID（进程 ID）和 PPID（父进程 ID）
    std::cout << "I'm a process: "
              << "PID:" << getpid() 
              << " PPID: " << getppid() << std::endl;
    // 创建子进程
    pid_t id = fork();
    // 定义一个字符指针数组，用于存储传递给 `execv` 的参数
    char *argv[] = {    
        "ls",    // argv[0]: 通常是程序名称
        "-l",    // argv[1]: 参数，表示以长格式列出文件
        "-a",    // argv[2]: 参数，显示隐藏文件
        NULL     // 终止符，必须为 NULL
    };
    if(id == 0) // 子进程执行的代码块
    {    
        // 子进程输出自己的 PID
        std::cout << "Child PID: " << getpid() << std::endl; 
        // 用 execv 替换当前进程的执行映像
        execv("/usr/bin/ls", argv);

        // 如果 execv 返回，说明执行失败
        exit(1); // 退出子进程，返回非零值表示错误
    }
    // 父进程等待子进程完成
    int ret = waitpid(id, NULL, 0);
    if(ret > 0) // 如果 `waitpid` 成功返回
        std::cout << "Father PID: " << getpid() 
                  << " " << "Child PID: " << ret 
                  << std::endl;
    return 0;
}

逐步功能分析

主进程输出信息
使用 getpid() 和 getppid() 分别获取当前进程 ID 和父进程 ID，并输出信息。
创建子进程
使用 fork() 创建一个子进程：
- 返回值 id == 0：表示当前是子进程。
- 返回值 id > 0：表示当前是父进程，id 为子进程的 PID。
子进程执行新程序
在子进程中调用 execv：
- 替换当前进程映像为 /usr/bin/ls。
- 参数数组 argv 指定了程序名称和选项。
- 如果 execv 成功，后续代码不会执行；否则会继续执行并调用 exit(1) 终止子进程。
父进程等待子进程
父进程调用 waitpid：
- 阻塞当前进程，直到子进程终止。
- 返回值 ret 是子进程的 PID。
父进程输出信息
输出父进程和子进程的 PID 信息。

在这里插入图片描述

`execvp`

int execvp(const char *file, char *const argv[]);

参数说明

file
- 要执行的程序名称或路径。
- 如果提供的是程序名称（非路径），execvp 会根据环境变量 PATH 中的目录列表查找该程序。
argv
- 一个字符串数组，表示传递给新程序的参数。
- argv[0] 通常是程序名称，最后一个元素必须为 NULL。

`execvp` 与 `execv` 的区别

execv
要求指定程序的完整路径，且不会从环境变量 PATH 中查找。
execvp
可以仅提供程序名称，函数会自动从 PATH 中查找程序。

#include<iostream> 
#include<unistd.h> 
#include<stdlib.h> 
#include<sys/wait.h> 。
#include<sys/types.h> 

int main()
{
    // 输出当前进程的 PID（进程 ID）和 PPID（父进程 ID）
    std::cout << "I'm a process: "
              << "PID:" << getpid() 
              << " PPID: " << getppid() << std::endl;
    // 创建子进程
    pid_t id = fork();
    // 定义一个字符指针数组，用于存储传递给 `execv` 的参数
    char *argv[] = {    
        "ls",    // argv[0]: 通常是程序名称
        "-l",    // argv[1]: 参数，表示以长格式列出文件
        "-a",    // argv[2]: 参数，显示隐藏文件
        NULL     // 终止符，必须为 NULL
    };
    if(id == 0) // 子进程执行的代码块
    {    
        // 子进程输出自己的 PID
        std::cout << "Child PID: " << getpid() << std::endl; 
        // 用 execvp 替换当前进程的执行映像
        execvp("ls", argv); // 区别于execv

        // 如果 execv 返回，说明执行失败
        exit(1); // 退出子进程，返回非零值表示错误
    }
    // 父进程等待子进程完成
    int ret = waitpid(id, NULL, 0);
    if(ret > 0) // 如果 `waitpid` 成功返回
        std::cout << "Father PID: " << getpid() 
                  << " " << "Child PID: " << ret 
                  << std::endl;
    return 0;
}

`ecexvpe`

int execvpe(const char *file, char *const argv[], char *const envp[]);

参数说明

file
- 要执行的程序名称或路径。
- 如果提供的是程序名称，execvpe 会根据环境变量 PATH 自动查找该程序。
argv
- 一个字符串数组，用于传递给新程序的参数。
- argv[0] 通常是程序的名称，最后一个元素必须是 NULL。
envp
- 一个字符串数组，用于指定新程序的环境变量。
- 每个字符串的格式为 KEY=VALUE，例如 "PATH=/usr/bin"。
- 最后一个元素必须为 NULL。

示例

#include<iostream>  
#include<unistd.h>   
#include<stdlib.h>   
#include<sys/wait.h> 
#include<sys/types.h>

using namespace std;

int main()                                                                    
{                     
    // 输出当前进程的 PID 和父进程 ID（PPID）
    cout << "I'm a process: "
         << "PID:" << getpid() 
         << " PPID: " << getpid() << endl;

    // 创建子进程
    pid_t id = fork();      

    // 自定义环境变量数组
    char *envp[] = {
        "MY_VAR=HelloWorld", // 自定义变量 MY_VAR，值为 "HelloWorld"
        "PATH=/bin:/usr/bin", // 自定义 PATH，确保能找到可执行文件
        NULL                 // 终止标志
    };       

    // 命令参数数组，传递给 `ls` 命令
    char *argv[] = {
        "ls",   // argv[0] 通常为程序名称
        "-l",   // 参数：长格式输出
        "-a",   // 参数：显示隐藏文件
        NULL    // 终止标志
    };                                          

    if(id == 0) // 子进程
    {
        cout <<"Child PID: " << getpid() << endl;

        // 使用 execvpe 执行 ls 命令，传递自定义环境变量
        execvpe("ls", argv, envp);

        // 如果 execvpe 执行失败
        exit(1); // 退出子进程，返回非零值表示错误
    }                                                                    

    // 父进程等待子进程完成
    int ret = waitpid(id, NULL, 0);
    if(ret > 0) // 如果子进程正常退出
        cout << "Father PID: " << getpid() 
             << " " << "Child PID: " << ret << endl;

    return 0

功能分析

父进程输出信息
- 使用 getpid() 获取当前进程的 ID。
- 使用 getpid() 显示父进程的 PPID（此处写错，正确用法应是 getppid()）。
创建子进程
- 调用
```
fork()
```
  创建子进程：
  - 返回值 id == 0：表示当前是子进程。
  - 返回值 id > 0：表示当前是父进程，id 为子进程的 PID。
定义环境变量和参数
- ```
envp
```
  是自定义的环境变量数组：
  - 包括 MY_VAR=HelloWorld 和 PATH=/bin:/usr/bin。
- ```
argv
```
  是传递给
```
execvpe
```
  的参数列表：
  - 包括 ls 命令及其参数 -l 和 -a。
子进程执行新程序
- 子进程调用
```
execvpe("ls", argv, envp)
```
  - 替换当前子进程的映像为 ls 命令。
  - 使用自定义的环境变量。
- 如果 execvpe 失败，子进程调用 exit(1) 退出。
父进程等待子进程完成
- 调用 waitpid 等待子进程完成。
- 输出父进程和子进程的 PID 信息。

在这里插入图片描述

`exec` 系列函数总结

函数名称	程序路径	参数传递	环境变量	特点
`execl`	完整路径	列表传参	继承父进程环境	手动传递每个参数；易用但不适合动态参数数量。
`execlp`	搜索 `PATH`	列表传参	继承父进程环境	在 `PATH` 中查找程序；适合提供命令名称的情况。
`execle`	完整路径	列表传参	自定义环境	与 `execl` 类似，但支持自定义环境变量。
`execv`	完整路径	数组传参	继承父进程环境	参数通过数组传递，适合动态生成参数的情况。
`execvp`	搜索 `PATH`	数组传参	继承父进程环境	在 `PATH` 中查找程序，适合命令名称和动态参数。
`execve`	完整路径	数组传参	自定义环境	底层实现函数；用户可完全控制路径、参数和环境变量。
`execvpe`	搜索 `PATH`	数组传参	自定义环境	GNU 扩展，结合 `execvp` 和 `execve` 的优点。