Linux控制---进程程序替换-编程知识

前言：前面我们学洗了Linux进程退出的相关知识，了解了什么是进程退出，已经进程等待的相关话题，今天，我们来学习Linux中的进程程序替换，进程程序替换在Linux中可以用于实现新程序的启动、程序升级、多进程程序和程序恢复等多种应用。

1、进程程序替换

什么是程序替换？

替换原理

单个进程的程序替换（无父子进程）

execl函数

程序替换原理详述

父子进程中的程序替换

替换进程如何得知要从程序的最开始开始执行？又如何得知最开始的地方在哪里？

替换程序覆盖性

exec函数分类

execlp、execv、execvp函数

程序替换只能替换系统程序？

C语言替换C++或python程序

多文件同时编译的自动化makefile实现

替换自己写的程序

c语言种替换shell脚本语言

环境变量与execle、execvpe函数

定义子进程自己的专属环境变量

execve系统调用

1、进程程序替换

什么是程序替换？

在我们之前的讲解中，父子进程本质上都在使用同一份代码，这也就相当于父子进程在同一套代码之下完成任务，而我们创建子进程的目的本来就是为了能让子进程完成一些父进程需要其完成的任务，并带给父进程对应的返回结果，但是，如果父子进程在同一套代码逻辑中，那创建子进程不就相当于脱裤子放屁自找麻烦吗？其实，子进程被创建出来，是可以用来执行与父进程不同的程序的，程序替换简单来说就是将正在运行的程序替换为另一个程序。这个过程涉及内存加载新程序到内存中，并更新页表信息，初始化虚拟地址空间，然后将现有PCB的指针指向新的程序，使得现有PCB从头开始调度新的进程运行。需要注意的是，程序替换后，当前进程运行完替换后的程序就会退出，并不会回去运行原先的程序。

替换原理

用fork创建子进程后执行的是和父进程相同的程序(但有可能执行不同的代码分支),子进程往往要调用一种exec函数以执行另一个程序。当进程调用一种exec函数时,该进程的用户空间代码和数据完全被新程序替换,从新程序的启动例程开始执行。调用exec并不创建新进程,所以调用exec前后该进程的id并未改变。

单个进程的程序替换（无父子进程）

execl函数

execl函数时exec函数中的一种，后面的几种我们稍后会提及，其功能替换一个指定路径的程序，

其中execl的参数，path参数就是替换程序所在的文件路径，arg就是执行命令的若干个参数，比如ls -a -l......，这些都属于这个参数，这里，我们先给出一个最简单的解释，比如我们需要执行“ls -a -l”,那么我们在命令行参数中就按这个顺序输入（“ls”，“-a”，“-l”）就可以了，也就相当于我们在命令行中如何使用，在参数中就如何输入即可，需要注意的是，该函数必须在参数最后加上NULL表示传入参数结束。具体如下面的用例：

我们发现一个现象，一旦我们进行了程序替换，也就是执行了execl函数，该函数之后的语句就不会再被执行了，上面的例子中，execl函数之后的printf函数没能够被执行，这一点就和我们程序替换的原理有关，下面我们就来对程序替换原理进行详细的分析，

程序替换原理详述

在Linux中，进程程序替换通常指的是使用exec()系列函数来实现的进程替换过程。这个过程包括加载一个全新的程序（代码和数据）到调用进程的地址空间中，并开始执行新程序。这个过程会替换当前进程的内容，原有进程的执行状态和上下文信息会被丢弃。在进程替换发生时，原有进程的代码、数据和资源会被新的进程所取代。该替换过程没有创建新的进程，只是替换原来的进程。

父子进程中的程序替换

前面我们演示的是单进程的程序替换场景，如果在父子进程的模式下又会出现什么样的情况呢？我们知道，父子进程在不进行写操作时是共享同一份代码和数据的，但是如果父进程或者子进程发生了程序替换，那么此时剩下的那个进程就要采用我们之前学过的写时拷贝技术来将原有代码和数据拷贝一份供剩余进程使用，使得两个进程各自保持自己的独立性。

替换进程如何得知要从程序的最开始开始执行？又如何得知最开始的地方在哪里？

当我们采用程序替换的方式引入一个新的程序时，这个程序如何得知其该从哪个位置开始执行，又如何得知其执行的位置在哪里呢？实际上，每个可执行程序在磁盘中的存储，并不是单纯的只是存储代码和数据，可执行程序的二进制文件中，头部有一个专门的表结构，其中专门有一个字段用来表示程序的入口地址，通过将其填充到对应的调用进程的程序计数器pc中，即可达到调用的效果。这里顺便提一嘴，pc指针（eip）是cpu中的一个寄存器，在cpu中只有一个，但是并不是所有的进程只有一个pc指针，寄存器中的内容可以有多份，一个cpu可以有多套内容，分别用来对应不同的内容。

替换程序覆盖性

我们在上面的代码中不难发现，不论是单个进程的程序替换，还是父子进程的程序替换，被替换的进程在执行exec函数结束后，其后续的代码均不会被执行，此时因为程序被替换，所以被替换程序会被覆盖，导致其后序的代码不会再被执行，这个就是替换程序的覆盖性。

exec函数分类

前面我们了解到exec函数具有多种，但是各种函数之间的用法和功能却不尽相同，下面我们来介绍几种常见的exec函数：

execlp、execv、execvp函数

程序替换只能替换系统程序？

上面我们的例子只是针对系统程序进行了替换，但是不代表程序替换只能局限于系统函数，事实上，程序替换还可以替换自己写的程序，这其中包括其他语言的程序（例如c++和python程序）还有shell脚本语言等，下面，我们就来演示一下。

C语言替换C++或python程序

首先，我们来分别编写一个C++和python文件：

多文件同时编译的自动化makefile实现

当我们想要一次编译两个或两个以上的源文件并形成对应的目标文件时，我们就需要只调用一次makefile工具就能直接将所有源文件全部编译，但是我们知道makefile从上往下扫描的时候默认只形成扫描到的第一个目标文件，所以我们就需要采取一些手段，使其能够同时编译出两份目标文件，我们可以将两份目标文件封装成一个总的目标文件放在makefile首部，这样，默认调用的首个目标文件中就包含了我们需要的两个目标文件，从而达到目的。

比如，我们一次需要形成C和C++的可执行程序时，我们可以采用如下的方式编写makefile：

替换自己写的程序

python程序也是同理，python是一种解释型语言，Python 解释器在运行代码时不会将其编译为机器语言。相反，它会在运行时解释代码，所以，我们不能够在通过makfile编译形成目标文件来形成所谓的“python的可执行程序”了，我们只能通过调用python的解释器来直接解释我们的python文件，具体实现如下：

c语言种替换shell脚本语言

脚本语言，或称为动态编程语言，是一种解释型语言。它通常用于执行具有复杂逻辑和流程控制的任务，比如网页编程、系统配置、游戏脚本等。其采用系统的bash命令行解释器就可以运行，比如我们可以编写和运行如下的shell脚本，至于如何编写这里先了解即可，这不是我们的重点：

此时，我们可以将其替换为在程序中运行，如下：

现在，你可以拿着这个和你的朋友装一下了，我们可以在c上运行其他语言的代码，其实不仅是c语言，其他的编程语言都有着类似的程序替换函数，感兴趣的可以去百度一下。

环境变量与execle、execvpe函数

环境变量一般是具有全局属性的，也就是说，它可以被进程和子进程之间共享，对于父子进程之间，环境变量共用一套无可厚非，并且，我们也知道，父进程的环境变量来源于bash命令行解释器，为了验证bash、父进程和子进程的爷、父、孙的关系，我们可以将父进程中子进程进程替换的代码修改为输出打印环境变量，接着我们利用export向命令行bash进程中加入一个新的临时环境，看其是否会被父进程和子进程所接受和显示，参考代码如下：

接着，我们在命令行导入一个临时环境变量到bash进程中去：

此时，该环境变量就被保存在了bash进程中，接着，我们编译并运行代码，然后，我们可以发现打印出的孙子进程的环境变量中存在我们创建的环境变量（也就是来自“爷爷”进程的环境变量）。

事实上，父子进程在传递的过程中，子进程是默认继承父进程的去全部的环境变量的，并且不会受到程序替换的影响，前面已经提到，程序替换本质上并没有改变进程的pcb和进程地址空间等内核数据结构，只是替换了物理内存上的代码和数据而已，而环境变量则是随着进程地址空间上的一个字段上保存的，所以，子进程在创建的时候会继承父进程的进程地址空间，也就把父进程的环境变量给继承了下来。

定义子进程自己的专属环境变量

如果我们的子进程想要定义属于自己的环境变量而不希望再沿用父进程的环境变量，就需要用到我们下面的两个函数了：

例如，此时我们想要修改子进程的被替换程序的环境变量，参考代码如下：

为了方便显示出我们传入命令行参数的效果，我们可以在替换程序中将命令行参数打印出来：

运行代码，结果如下：

可以看到，被替换程序的环境变量已经被覆盖式的修改成了我们自己定义的环境变量，注意是覆盖不是新增，那当我们需要新增时怎么办？还记得我们上面给bash添加环境变量时的场景吗？想要给子进程在原来的基础上新增环境变量，我们只需要在其父进程里创建一个临时环境变量就可以了，此时子进程将会继承父进程的环境变量表，包括新增的。