Linux操作系统2-进程控制3(进程替换，exec相关函数和系统调用)

上篇文章：Linux操作系统2-进程控制2(进程等待，waitpid系统调用，阻塞与非阻塞等待)-CSDN博客

本篇代码Gitee仓库：Linux操作系统-进程的程序替换学习 · d0f7bb4 · 橘子真甜/linux学习 - Gitee.com

本篇重点：进程替换

目录

一. 什么是进程替换?

二. 进程替换函数常用的函数 

2.1 execl 

a 进程替换覆盖指定位置后面的代码

b 进程替换不会影响父进程 

2.2 execlp 

 2.3 execv/execvp

2.4 execle 

 2.5 execve 系统调用

 三. 进程替换总结

四. 进程替换可以执行任何后端语言！

一. 什么是进程替换?

        我们知道，使用fork函数可以创建子进程。我们创建子进程的目的是什么？

1 让子进程执行父进程的一部分代码（比如执行父进程处于磁盘中的代码）

2 我们希望让子进程执行一个全新的进程，去完成一个不同的功能

        我们让子进程去执行新程序的数据和代码 -> 进程的程序替换

二. 进程替换函数常用的函数 

常见的函数如下：

#include<unistd.h>
int execl(const char *path, const char *arg, ...);    
int execlp(const char *file, const char *arg, ...);
int execle(const char *path, const char *arg, ...,char *const envp[]);
int execv(const char *path, char *const argv[]);
int execvp(const char *file, char *const argv[]);
int execve(const char *path, char *const argv[], char *const envp[]);

是不是有点眼花缭乱？具体使用如下

2.1 execl 

a 进程替换覆盖指定位置后面的代码

int execl(const char *path, const char *arg, ...);    

//path    用于找到程序（程序的路径，ls的路径是 /usr/bin/ls）
//arg     这个命令是怎么执行的（比如ls命令的执行方式就是单独的 ls）
//...     这个命令需要的参数是什么（比如ls可以带参数 -a -l -i 等）

//返回值，失败返回-1，并且设置错误码

我们使用execl去替换一个 ls命令。代码如下：

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

int main()
{
    // 使用execl去替换ls完成  ls -a -l --color=auto
    printf("process is running!\n");

    //第一个参数，要执行哪个路径，就填这个路径
    //第二个参数，程序怎么执行，就怎么填
    //后面的参数，执行这个程序需要带的参数，就一个一个地填这些参数
    //最好使用NULL结尾
    int n = execl("/usr/bin/ls", "ls", "-a", "-l", "--color=auto", NULL);
    
    //使用系统调用或者涉及底层的C库函数，需要判断错误返回
    perror("execl");


    //由于执行execl之后，代码被覆盖，以下的代码不会被运行！
    printf("process is running!\n");
    printf("process is running!\n");
    printf("process is running!\n");
    printf("process is running!\n");
    printf("process is running!\n");
    return 0;
}

编译运行结果如下：

        execl之后的代码没有被执行的原因是：进程替换的时候没有创建新进程，而是将指定的程序和代码加载到指定的位置

        这样会覆盖后面的代码，所以后面printf就不会执行了！

b 进程替换不会影响父进程 

        进程替换会覆盖指定位置后面的代码，不过我们在子进程中使用进程替换不会影响父进程的代码和数据。

       这个原因是父子进程之间有写实拷贝，由于父子进程之间的写实拷贝，一旦子进程尝试写入，OS就会给子进程开辟一份空间用于保存子进程的数据和代码。这样一来，子进程进程替换就不会影响父进程。

测试代码：

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

int main()
{
    // 使用execl去替换ls完成  ls -a -l --color=auto
    printf("1 process is running!\n");
    pid_t id = fork();
    if (id == 0)
    {
        int n = execl("/usr/bin/ls", "ls", "-a", "-l", "--color=auto", NULL);
        perror("execl");
        // 如果替换失败
        exit(-1);
    }

    // 由于写实拷贝，父进程不受子进程进程替换影响
    printf("2 process is running!\n");

    int status = 0;
    int subid = waitpid(id, &status, 0);
    if (subid > 0)
    {
        printf("child exit code:%d child exit signal\n", (status >> 8) & 0xff, status & 0x7f);
    }
    return 0;
}

测试结果: 

2.2 execlp 

int execlp(const char *file, const char *arg, ...);

p:path，只要输入替换的程序，会自动去环境变量中进行查找。无需告诉路径

测试代码：

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

int main()
{
    // 使用execl去替换ls完成  ls -a -l --color=auto
    printf("1 process is running!\n");
    pid_t id = fork();
    if (id == 0)
    {
        //p:path，只要输入替换的程序，会自动去环境变量中进行查找。无需告诉路径
        execlp("ls", "ls", "-a", "-l", "--color=auto", NULL);
        perror("execl");
        // 如果替换失败
        exit(-1);
    }

    // 由于写实拷贝，父进程不受子进程进程替换影响
    printf("2 process is running!\n");

    int status = 0;
    int subid = waitpid(id, &status, 0);
    if (subid > 0)
    {
        printf("child exit code:%d child exit signal\n", (status >> 8) & 0xff, status & 0x7f);
    }
    return 0;
}

测试结果：

 2.3 execv/execvp

//v:vector:可以将所有的执行参数放入数组，进行统一传入，不用可变参数传参 
int execv(const char *path, char *const argv[]);    


// v:vector p:文件名
int execvp(const char *file, char *const argv[]);  

execv 举例：

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


int main()
{

    // 使用execl去替换ls完成  ls -a -l --color=auto
    printf("1 process is running!\n");
    pid_t id = fork();
    if (id == 0)
    {
        char * argv_[] = {"ls", "-a", "-l", "--color=auto", NULL}; 
        execv("/usr/bin/ls", argv_);
        
        perror("execv");
        // 如果替换失败
        exit(-1);
    }

    // 由于写实拷贝，父进程不受子进程进程替换影响
    printf("2 process is running!\n");

    int status = 0;
    int subid = waitpid(id, &status, 0);
    if (subid > 0)
    {
        printf("child exit code:%d child exit signal\n", (status >> 8) & 0xff, status & 0x7f);
    }
    return 0;
}

测试结果：

 execvp 加上了p:我们只需给出名字，会去环境变量中自动查找

测试代码：

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


int main()
{

    // 使用execl去替换ls完成  ls -a -l --color=auto
    printf("1 process is running!\n");
    pid_t id = fork();
    if (id == 0)
    {
        char * argv_[] = {"ls", "-a", "-l", "--color=auto", NULL}; 
        execvp("ls", argv_);
        
        perror("execvp");
        // 如果替换失败
        exit(-1);
    }

    // 由于写实拷贝，父进程不受子进程进程替换影响
    printf("2 process is running!\n");

    int status = 0;
    int subid = waitpid(id, &status, 0);
    if (subid > 0)
    {
        printf("child exit code:%d child exit signal\n", (status >> 8) & 0xff, status & 0x7f);
    }
    return 0;
}

测试结果:

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


int main()
{

    // 使用execl去替换ls完成  ls -a -l --color=auto
    printf("1 process is running!\n");
    pid_t id = fork();
    if (id == 0)
    {
        char * argv_[] = {"ls", "-a", "-l", "--color=auto", NULL}; 
        execvp("ls", argv_);
        
        perror("execvp");
        // 如果替换失败
        exit(-1);
    }

    // 由于写实拷贝，父进程不受子进程进程替换影响
    printf("2 process is running!\n");

    int status = 0;
    int subid = waitpid(id, &status, 0);
    if (subid > 0)
    {
        printf("child exit code:%d child exit signal\n", (status >> 8) & 0xff, status & 0x7f);
    }
    return 0;
}

测试结果

2.4 execle 

int execle(const char *path, const char *arg, ...,char *const envp[]);    //e:传入自定义环境变量，

e:传入自定义环境变量

我们定义另一个C程序mybin，让这个程序打印环境变量。然后我们在子进程中替换为mybin

这样我们的子进程就能够打印我们在execle函数中输入的环境变量了

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

int main()
{

    // 使用execl去替换ls完成  ls -a -l --color=auto
    printf("1 process is running!\n");
    pid_t id = fork();
    if (id == 0)
    {
        //注意在最后加上NULL
        char *const env_[] = {"AA=11", "BB=22", "CC=33", "YZC=Hello world!", NULL};
        // 加入命令行参数env
        execle("./mybin", "./mybin", NULL, env_);

        perror("execle");
        // 如果替换失败
        exit(-1);
    }

    // 由于写实拷贝，父进程不受子进程进程替换影响
    printf("2 process is running!\n");

    int status = 0;
    int subid = waitpid(id, &status, 0);
    if (subid > 0)
    {
        printf("child exit code:%d child exit signal\n", (status >> 8) & 0xff, status & 0x7f);
    }
    return 0;
}

运行结果如下：

 我们换成系统环境变量

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

int main()
{

    // 使用execl去替换ls完成  ls -a -l --color=auto
    printf("1 process is running!\n");
    pid_t id = fork();
    if (id == 0)
    {
        //注意在最后加上NULL
        char *const env_[] = {"AA=11", "BB=22", "CC=33", "YZC=Hello world!", NULL};
        // 加入命令行参数env
        extern char** environ;
        execle("./mybin", "./mybin", NULL, environ);

        perror("execle");
        // 如果替换失败
        exit(-1);
    }

    // 由于写实拷贝，父进程不受子进程进程替换影响
    printf("2 process is running!\n");

    int status = 0;
    int subid = waitpid(id, &status, 0);
    if (subid > 0)
    {
        printf("child exit code:%d child exit signal\n", (status >> 8) & 0xff, status & 0x7f);
    }
    return 0;
}

运行结果： 

当然我们也能够在 命令行参数获取环境变量

 2.5 execve 系统调用

上面的exec函数都是对execve系统调用的封装

//2号手册，这个才是真正的系统调用（上面的都是函数封装）
int execve(const char *path, char *const argv[], char *const envp[]);

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

int main()
{

    // 使用execl去替换ls完成  ls -a -l --color=auto
    printf("1 process is running!\n");
    pid_t id = fork();
    if (id == 0)
    {
        // 注意在最后加上NULL
        char *const env_[] = {"AA=11", "BB=22", "CC=33", "YZC=Hello world!", NULL};
        char *const argv_[] = {"./mybin"};
        execve("./mybin", argv_, env_);

        perror("execve");
        // 如果替换失败
        exit(-1);
    }

    // 由于写实拷贝，父进程不受子进程进程替换影响
    printf("2 process is running!\n");

    int status = 0;
    int subid = waitpid(id, &status, 0);
    if (subid > 0)
    {
        printf("child exit code:%d child exit signal\n", (status >> 8) & 0xff, status & 0x7f);
    }
    return 0;
}

测试结果: 

 三. 进程替换总结

我们知道程序必须加载到内存中才能执行。这是由冯诺依曼计算机体系结构决定的。

在Linux中就是通过exec*函数来加载程序的！

那么是exec函数先加载还是main函数先执行？

exec函数先加载，然后main函数再执行

我们可以发现exec函数的参数和main函数的参数很像!

所以是exec函数先加载路径，参数，环境变量在执行main函数 

四. 进程替换可以执行任何后端语言！

myCppBin.cc

#include <iostream>
using namespace std;

int main()
{
    cout << "Hello C++!" << endl;
    return 0;
}

mytest.c

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

int main()
{

    // 使用execl去替换ls完成  ls -a -l --color=auto
    printf("1 process is running!\n");
    pid_t id = fork();
    if (id == 0)
    {
        // 注意在最后加上NULL
        char *const env_[] = {"AA=11", "BB=22", "CC=33", "YZC=Hello world!", NULL};
        char *const argv_[] = {"./myCppBin"};

        //执行C程序
        //execve("./mybin", argv_, env_);

        //执行C++
        execve("./myCppBin", argv_, env_);


        perror("execve");
        // 如果替换失败
        exit(-1);
    }

    // 由于写实拷贝，父进程不受子进程进程替换影响
    printf("2 process is running!\n");

    int status = 0;
    int subid = waitpid(id, &status, 0);
    if (subid > 0)
    {
        printf("child exit code:%d child exit signal\n", (status >> 8) & 0xff, status & 0x7f);
    }
    return 0;
}