1.進程替換原理

一個程序替換的函數(shù)：

#include <unistd.h>`
int execl(const char *path, const char *arg, ...);

示例1：

#include<stdio.h>
#include<sys/types.h>
#include<unistd.h>
#include<sys/wait.h>
#include<stdlib.h>
int main()
{printf("before: I am a process: pid: %d , ppid:%d\n",getpid(),getppid());sleep(5);execl("/usr/bin/ls","ls","-l","-a",NULL);printf("after: I am a process: pid: %d , ppid:%d\n",getpid(),getppid());
}

示例2：

#include<stdio.h>
#include<sys/types.h>
#include<unistd.h>
#include<sys/wait.h>
#include<stdlib.h>int main()
{pid_t id=fork();if(id == 0){//childprintf("before: I am a process: pid: %d , ppid:%d\n",getpid(),getppid());sleep(5);execl("/usr/bin/ls","ls","-l","-a",NULL);printf("after: I am a process: pid: %d , ppid:%d\n",getpid(),getppid());exit(0);}//fatherpid_t ret=waitpid(id,NULL,0);if(ret > 0){printf("wait success, father pid:%d, ret id: %d\n",getpid(),ret);sleep(5);}return 0;
}

代碼運行結(jié)果如下：

從上面的代碼運行結(jié)果，示例1中可以看出父進程使用execl程序替換函數(shù)，會直接替換程序的代碼和數(shù)據(jù)；示例2中，父進程創(chuàng)建子進程使用execl程序替換函數(shù)，要替換子進程的代碼和數(shù)據(jù)的時候，觸發(fā)只讀權(quán)限寫實拷貝，OS會重新開辟空間存放替換新程序的代碼和數(shù)據(jù)！

問題1：在兩個示例中，為什么沒有執(zhí)行以下代碼語句？

 printf("after: I am a process: pid: %d , ppid:%d\n",getpid(),getppid());

程序替換成功之后，exec*后續(xù)的代碼不會被執(zhí)行；替換失敗呢?才可能執(zhí)行后續(xù)代碼。exec*函數(shù)，只有失敗返回值，沒有成功返回值!!

問題2：CPU是如何得知程序的入口地址？
Linux中形成的可執(zhí)行程序，是有格式的，有一個描述信息的表，該表里面就描述了當前可能程序分了哪些段，包括代碼段，數(shù)據(jù)段等，可執(zhí)行（入口）地址就是表頭地址！CPU把可執(zhí)行程序加載進來的時候，首先獲得表頭地址（可執(zhí)行程序地址），便可以執(zhí)行程序！

問題3：程序替換有沒有創(chuàng)建新的進程？
程序替換沒有創(chuàng)建新進程，只是進行進程的程序代碼和數(shù)據(jù)的替換工作！

替換原理總結(jié)

用fork創(chuàng)建子進程后執(zhí)行的是和父進程相同的程序(但有可能執(zhí)行不同的代碼分支)，子進程往往要調(diào)用一種exec函數(shù)以執(zhí)行另一個程序。當進程調(diào)用一種exec函數(shù)時,該進程的用戶空間代碼和數(shù)據(jù)完全被新程序替換,從新程序的啟動例程開始執(zhí)行。調(diào)用exec并不創(chuàng)建新進程，所以調(diào)用exec前后該進程的id并未改變。

2.進程替換函數(shù)

其實有六種以exec開頭的函數(shù),統(tǒng)稱exec函數(shù):

#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[]);

2.1execl函數(shù)

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

execl替換函數(shù)，參數(shù)path中，/usr/bin/ls作為路徑傳參，需要找到可執(zhí)行程序的位置；execl替換函數(shù)以鏈表的方式，把功能選項連接起來，則是要確定如何執(zhí)行可執(zhí)行程序！

#include<stdio.h>
#include<sys/types.h>
#include<unistd.h>
#include<sys/wait.h>
#include<stdlib.h>int main()
{pid_t id=fork();if(id == 0){//childprintf("before: I am a process: pid: %d , ppid:%d\n",getpid(),getppid());sleep(5);//替換函數(shù)execl("/usr/bin/ls","ls","-l","-a",NULL);printf("after: I am a process: pid: %d , ppid:%d\n",getpid(),getppid());exit(0);}//fatherpid_t ret=waitpid(id,NULL,0);if(ret > 0){printf("wait success, father pid:%d, ret id: %d\n",getpid(),ret);sleep(5);}return 0;
}

代碼運行結(jié)果如下：

使用命令行參數(shù)指令：

#ls -a -l

指令運行結(jié)果：

簡記：execl替換函數(shù)，arg參數(shù)與命令行參數(shù)傳遞一致，命令行參數(shù)怎么寫，在execl函數(shù)中就怎么傳！只不過空格換逗號，加NULL。

2.2execlp函數(shù)

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

示例：

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

#include<stdio.h>
#include<sys/types.h>
#include<unistd.h>
#include<sys/wait.h>
#include<stdlib.h>int main()
{pid_t id=fork();if(id == 0){//childprintf("before: I am a process: pid: %d , ppid:%d\n",getpid(),getppid());sleep(5);//替換函數(shù)execlp("ls","ls","-l","-a",NULL);printf("after: I am a process: pid: %d , ppid:%d\n",getpid(),getppid());exit(0);}//fatherpid_t ret=waitpid(id,NULL,0);if(ret > 0){printf("wait success, father pid:%d, ret id: %d\n",getpid(),ret);sleep(5);}return 0;
}

代碼運行結(jié)果如下：

execlp替換函數(shù)，函數(shù)中名中p指的是環(huán)境變量PATH，指令的默認路徑，執(zhí)行進程時系統(tǒng)會去默認路徑尋找，執(zhí)行系統(tǒng)提供的指令時不需要帶上地址；參數(shù)file中，ls作為文件名傳參，需要在默認路徑下找到對應的可執(zhí)行程序；"ls","-l","-a",NULL，execl替換函數(shù)以鏈表的方式，把功能選項連接起來，則是要確定如何執(zhí)行可執(zhí)行程序！

2.3execv函數(shù)

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

execv替換函數(shù)名中的v是指vector（數(shù)組），把可執(zhí)行程序的執(zhí)行選項功能放在數(shù)組中，在數(shù)組中以NULL為結(jié)尾！參數(shù)path，把可執(zhí)行程序的位置作為參數(shù)傳遞；參數(shù)argv，把自定義選項功能數(shù)組作為參數(shù)傳遞！
示例：

#include<stdio.h>
#include<sys/types.h>
#include<unistd.h>
#include<sys/wait.h>
#include<stdlib.h>int main()
{pid_t id=fork();if(id == 0){//childprintf("before: I am a process: pid: %d , ppid:%d\n",getpid(),getppid());sleep(5);//數(shù)組參數(shù)char* const myargv[]={"ls","-a","-l",NULL};//替換函數(shù)execv("/usr/bin/ls",myargv);printf("after: I am a process: pid: %d , ppid:%d\n",getpid(),getppid());exit(0);}//fatherpid_t ret=waitpid(id,NULL,0);if(ret > 0){printf("wait success, father pid:%d, ret id: %d\n",getpid(),ret);sleep(5);}return 0;
}

代碼運行結(jié)果如下：

2.4execvp函數(shù)

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

execvp替換函數(shù)名中的v是指vector（數(shù)組），把可執(zhí)行程序的執(zhí)行選項功能放在數(shù)組中，在數(shù)組中以NULL為結(jié)尾；函數(shù)中名中p指的是環(huán)境變量PATH，執(zhí)行系統(tǒng)程序時不需要帶路徑；參數(shù)file，把可執(zhí)行程序的位置作為參數(shù)傳遞；參數(shù)argv，把自定義選項功能數(shù)組作為參數(shù)傳遞！
示例：

#include<stdio.h>
#include<sys/types.h>
#include<unistd.h>
#include<sys/wait.h>
#include<stdlib.h>int main()
{pid_t id=fork();if(id == 0){//childprintf("before: I am a process: pid: %d , ppid:%d\n",getpid(),getppid());sleep(5);//數(shù)組參數(shù)char* const myargv[]={"ls","-a","-l",NULL};//替換函數(shù)execvp("ls",myargv);printf("after: I am a process: pid: %d , ppid:%d\n",getpid(),getppid());exit(0);}//fatherpid_t ret=waitpid(id,NULL,0);if(ret > 0){printf("wait success, father pid:%d, ret id: %d\n",getpid(),ret);sleep(5);}return 0;
}

代碼運行結(jié)果如下：

2.5execle函數(shù)

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

execle替換函數(shù)名是在‘execl’函數(shù)基礎上，新增加了envp參數(shù)?？梢詡鬟f‘environ’環(huán)境變量參數(shù)，libc中定義的全局變量environ指向環(huán)境變量表，environ沒有包含在任何頭文件中,所以在使用時 要用extern聲明。因為環(huán)境變量通常具有全局屬性，子進程繼承父進程的環(huán)境變量；也可以自己設置自定義新的環(huán)境變量數(shù)組，傳遞給子進程！
示例1：

//ohtherExe.cpp
#include <iostream>
using namespace std;int main(int argc, char *argv[], char *env[])
{cout << argv[0] << " begin running" << endl;cout << "這是命令行參數(shù): \n";for(int i=0; argv[i]; i++){cout << i << " : " << argv[i] << endl;}cout << "這是環(huán)境變量信息: \n";for(int i = 0; env[i]; i++){cout << i << " : " << env[i] << endl; }cout<<"xxxxxxxxxxxxxxxxx"<<endl;  return 0;
}

//mycommand.c
//新增extern char** environ;//替換函數(shù)execle("./otherExe","otherExe","-a","-b","c",NULL,environ);

代碼運行結(jié)果為：

示例2：

//mycommand.c
//新增部分
char *const myenv[] = {"MYVAL=1111","MYPATH=/usr/bin/XXX",NULL
};
//替換函數(shù)為
execle("./otherExe", "otherExe", "-a", "-w", "-v", NULL, myenv);

代碼運行結(jié)果為：

2.6execve函數(shù)

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

execve替換函數(shù)名中的v是指vector（數(shù)組），把可執(zhí)行程序的執(zhí)行選項功能放在數(shù)組中，在數(shù)組中以NULL為結(jié)尾；envp參數(shù)，傳遞環(huán)境變量為參數(shù)。
示例：

    char* const myargv[]={"otherExe","-a","-l",NULL};char* const myenv[]={"MYVAL=111111","MYPATH=/usr/bin/xxx",NULL};extern char** environ;

代碼運行的結(jié)果為：

注意：
libc中定義的全局變量environ指向環(huán)境變量表，environ沒有包含在任何頭文件中，所以在使用時要用extern聲明；我們?nèi)绻虢o子進程傳遞環(huán)境變量，有兩種方式：①新增環(huán)境變量，在父進程中使用putenv函數(shù)自己設置的環(huán)境變量；②徹底替換（覆蓋）環(huán)境變量，使用帶“e”選項的exec函數(shù)（execle/execve函數(shù)），傳遞自己設置環(huán)境變量數(shù)組；

2.7跨語言調(diào)用程序

在上面的例子中，我們都是使用我們自己寫的mycommand.c程序調(diào)用系統(tǒng)的程序（指令），那我們是否可以調(diào)用自己所寫的程序呢？答案是當然可以！
示例1：
python代碼

#!/usr/bin/python3print("hello Python!")

#include<stdio.h>
#include<sys/types.h>
#include<unistd.h>
#include<sys/wait.h>
#include<stdlib.h>int main()
{pid_t id=fork();if(id == 0){//childprintf("before: I am a process: pid: %d , ppid:%d\n",getpid(),getppid());sleep(5);//替換函數(shù)execl("/usr/bin/python3", "python3", "test.py", NULL);printf("after: I am a process: pid: %d , ppid:%d\n",getpid(),getppid());exit(0);}//fatherpid_t ret=waitpid(id,NULL,0);if(ret > 0){printf("wait success, father pid:%d, ret id: %d\n",getpid(),ret);sleep(5);}return 0;
}

代碼運行結(jié)果如下：

為什么我們可以用C語言程序調(diào)用Python可執(zhí)行程序？
無論什么語言的可執(zhí)行程序運行起來之后變成了進程，便可以通過在子進程中使用exec系列函數(shù)替換達到調(diào)用的效果！

3.總結(jié)

①exec系列函數(shù)如果調(diào)用成功，則加載新的程序從啟動代碼開始執(zhí)行不再返回。如果調(diào)用出錯則返回-1，所以exec函數(shù)只有出錯的返回值，而沒有成功的返回值。
②命名理解記憶

l(list) : 表示參數(shù)采用列表
v(vector) : 參數(shù)用數(shù)組
p(path) : 有p自動搜索環(huán)境變量PATH
e(env) : 表示自己維護環(huán)境變量

③只有execve函數(shù)是真正的系統(tǒng)調(diào)用，其它五個函數(shù)最終都調(diào)用execve函數(shù)，所以execve在man手冊 第2節(jié),其它函數(shù)在man手冊第3節(jié)。這些函數(shù)之間的關系如下圖所示：