Linux - 进程 - 进程程序替换

Aurora_Trip
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一. 进程程序替换原理

用 fork() 创建子进程后, 子进程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, 该进程执行的程序完全被新程序替换, 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 PID 并未改变, exec 只是用磁盘上的一个新程序替换了当前进程的正文段, 数据段, 堆区和栈区.

image.png

注意: 子进程刚被创建时, 与父进程共享地址空间, 但当子进程需要进行进程程序替换时, 需要对其地址空间进行修改, 这时会发生写时复制, 此后父子进程就不再对地址空间进行共享.

二. 进程程序替换方法

进行进程程序替换的函数有六种, 它们都以 exec 开头, 统称为 exec 函数.

image.png

execl

函数原型: int execl(const char *path, const char *arg, ...);

第一个参数是存放可执行程序的路径名, 第二个参数是可变参数列表, 传递命令行参数字符串, 并以 NULL 结尾.

例如, 要执行指令 ls -l.

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

execlp

函数原型: int execlp(const char *file, const char *arg, ...);

第一个参数是可执行程序的文件名, 第二个参数是可变参数列表, 传递命令行参数字符串, 并以 NULL 结尾.

例如, 要执行指令 ls -l.

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

execle

函数原型: int execle(const char *path, const char *arg, ..., char *const envp[]);

第一个参数是存放可执行程序的路径名, 第二个参数是可变参数列表, 传递命令行参数字符串, 并以 NULL 结尾, 第三个参数是一个指向环境字符串指针数组的指针. (系统默认的环境变量和自己组装的环境变量都可以)

例如, 要执行指令 ls -l, 且使用系统默认的环境变量.

execle("/usr/bin/ls", "ls", "-l", NULL, environ);

execv

函数原型: int execv(const char *path, char *const argv[]);

第一个参数是存放可执行程序的路径名, 第二个参数是指向命令行参数字符串指针数组 (指针数组的最后一个元素必须设置为 NULL) 的指针.

例如, 要执行指令 ls -l.

char* argv[] = { "ls", "-l", NULL };
execv("/usr/bin/ls", argv);

execvp

函数原型: int execvp(const char *file, char *const argv[]);

第一个参数是可执行程序的文件名, 第二个参数是指向命令行参数字符串指针数组 (指针数组的最后一个元素必须设置为 NULL) 的指针.

例如, 要执行指令 ls -l.

char* argv[] = { "ls", "-l", NULL };
execvp("ls", argv);

execve

函数原型: int execve(const char *path, char *const argv[], char *const envp[]);

第一个参数是存放可执行程序的路径名, 第二个参数是指向命令行参数字符串指针数组 (指针数组的最后一个元素必须设置为 NULL) 的指针, 第三个参数是一个指向环境字符串指针数组的指针. (系统默认的环境变量和自己组装的环境变量都可以)

例如, 要执行指令 ls -l --color, 且使用系统默认的环境变量.

char* argv[] = { "ls", "-l", "--color", NULL };
execve("/usr/bin/ls", argv, environ);

编写如下代码: fork() 创建子进程后, 父进程进行非阻塞轮询, 子进程打印 5 次信息后, 使用 execve() 进行进程程序替换, 执行完替换的程序后子进程退出, 父进程使用 waitpid() 读取子进程退出信息.

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

int main()
{
    extern char **environ;
    char* argv[] = { "ls", "-l", "--color", NULL };
    pid_t id = fork();
    if (id < 0) { // fork error
        perror("fork");
        return 1;
    }
    else if (id == 0) { // child process
        int count = 5;
        while (count) {
            printf("I am child process.....:PID:%d, PPID:%d, count:%d\n", getpid(), getppid(),count);
            sleep(1);
            count--;
        }
        execve("/usr/bin/ls", argv, environ);
    }
    else { // father process
        while (1) {
            int status = 0;
            pid_t ret = waitpid(id, &status, WNOHANG);
            if (ret > 0) {
                printf("wait child process success\n");
                printf("child process exit code:%d\n", WEXITSTATUS(status));
                break;
            }
            else if (ret == 0) {
                printf("father process do his things.....\n");
                sleep(1);
            }
            else {
                printf("waitpid error...\n");
                break;
            }
        }
    }
    return 0;
}

运行生成的可执行程序后, 可以通过以下监控脚本, 每隔一秒对父子进程的信息进行检测.

while :; do ps ajx | head -1 && ps ajx | grep test | grep -v grep; echo "#######################"; sleep 1; done

这时我们可以看到, fork() 创建子进程后, 父进程进行非阻塞轮询, 子进程打印 5 次信息后进行进程程序替换, 执行指令 ls -l --color, 之后子进程正常终止, 并被父进程读取退出信息.

image.png

exec 函数返回值

  • exec 函数如果调用成功, 则加载指定的程序并从启动例程开始执行, 不再返回.
  • 如果调用出错, 则返回 -1.

也就是说, exec 系列函数只要返回了, 就意味着其调用失败.

命名理解

  • l(list): 表示命令行参数字符串采用列表的形式, 一一列出.
  • v(vector): 表示命令行参数字符串采用数组的形式组织.
  • p(path): 表示能通过环境变量 PATH 在它所指定的各目录中搜寻可执行文件.
  • e(env): 表示可以传入自己设置的环境变量 (也可以传入系统默认的环境变量).

image.png

事实上, 只有 execve() 才是系统调用, 其它五个函数最终都是调用的 execve(), 也就是说其他五个函数实际上是对系统调用 execve() 进行了封装, 以满足不同的使用场景.

下图为 exec 系列函数之间的关系:

image.png

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