019 进程控制 —— 进程程序替换

进程控制 —— 进程程序替换

1. 替换原理

进程程序替换是指在一个已经存在的进程中，通过系统调用将当前进程的代码、数据等全部替换为新程序的内容，也就是说，新程序加载到当前进程的地址空间中，原来进程的内容被完全覆盖。在这一过程中，进程的 PID 保持不变，但内存空间、寄存器的内容和代码逻辑均变为新程序的内容。

【关键点】

1. 进程替换不创建新进程，而是复用现有进程的 PID，这对需要快速切换任务、降低资源开销有很大好处。
2. 一旦替换成功，原进程的代码 立即终止，从新程序的 main 函数开始执行。
3. 替换过程会关闭原进程中打开的文件描述符（除非这些描述符被标记为在 exec 之后保留），fcntl(fd, F_SETFD, FD_CLOEXEC) 标记文件描述符在 exec 后关闭（了解）。

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2. execl 的单进程使用

1. 函数原型

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

注意：execl 接受变长参数，需要以 NULL 结束参数列表，参数顺序要求严格，第一个参数通常写为程序文件的绝对路径，第二个参数是新程序的“名称”，随后是实际参数。
int execl(
    const char* path,       // 新程序的路径（核心！）
    const char* arg0,       // 第一个参数（通常为程序名）
    const char* arg1,       // 第二个参数（如命令行选项）
    ...,                    // 可变参数（灵活传递）
    (char*)NULL             // 参数结束标志（必须！忘记会导致崩溃或参数错乱）
);

参数解析：

• path：新程序的绝对路径（如 /bin/ls），必须明确指定位置！
• arg：命令行参数列表，第一个参数通常是程序名，最后必须加 NULL 表示结束。

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

int main()
{
    printf("原进程即将被替换！\n");
    execl("/bin/ls", "ls", "-l", NULL);     // 执行 ls -l 命令
    printf("这里不会被执行！你看不到我！\n");
    perror("execl failed");                 // 若替换失败才会执行到这里
    return 1;
}

• 替换成功后，printf("原进程...") 之后的代码 不再执行。
• 若替换失败（如路径错误），perror 会输出错误信息。

运行示例：

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3. execl 的多进程使用

我们先 fork() 创建一个 子进程，在子进程中使用 execl() 替换自身为另一个程序，而 父进程继续执行原有逻辑。这种方式不会影响父进程，同时能让子进程跑一个完全不同的程序，是 非常经典的进程控制模式。

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>  // 包含 fork() 的头文件
#include <stdlib.h>  // 包含 exit() 的头文件

int main()
{
    pid_t pid = fork();         // 创建子进程

    if (pid == 0)               // 子进程：使用 execl 替换为新程序
    {
        printf("我是子进程，PID: %d，现在执行 execl 替换为 ls 命令\n", getpid());
        execl("/bin/ls", "ls", "-l", NULL);

        perror("execl failed"); // 若 execl 出错，才会继续执行下面语句
        exit(1);
    }
    else if (pid > 0)           // 父进程继续执行原有逻辑
    {
        printf("我是父进程，PID: %d，创建了子进程: %d\n", getpid(), pid);
        sleep(2);
        printf("父进程结束\n");
    }
    else
    {
        perror("fork failed");
        return 1;
    }

    return 0;
}

运行示例：

我是父进程，PID: 18882，创建了子进程: 18883
我是子进程，PID: 18883，现在执行 execl 替换为 ls 命令
total 32
-rwxrwxr-x 1 hcc hcc 8720 Apr 16 13:47 Multi-process
-rw-rw-r-- 1 hcc hcc  833 Apr 16 13:44 Multi-process.c
-rwxrwxr-x 1 hcc hcc 8464 Apr 16 13:25 test1
-rw-rw-r-- 1 hcc hcc  325 Apr 16 13:24 test1.c
父进程结束

4. exec 函数“全家桶”

Linux 下有 7 种以 exec 开头的函数，统称 exec 函数。

• 系统调用类：exec 是由内核提供的系统调用，属于 man 手册的第 2 章节。
• 库函数类：其他 exec 函数均是 C 标准库对 execve 的封装，属于 man 手册第 3 章节。

exec 函数族成员一览（记熟）

函数名	参数类型	使用说明
execl	列出参数（arg0, arg1, ..., NULL）	最常用，适合参数个数固定 ✅
execv	参数数组（char * argv []）	参数可变，用数组表示（* *程序参数动态构造（任务调度器）**）
execle	列出参数 + 环境变量（envp）	适合需要指定环境变量
execve	参数数组 + 环境变量	最底层函数，系统调用接口 ✅
execlp	自动查 $PATH + 列出参数	不指定绝对路径，依赖环境 PATH ✅
execvp	自动查 $PATH + 参数数组	最常见 Shell 结构 ✅（支持 PATH 查找 + 动态参数）
execvpe	自动查 $PATH + 参数数组 + envp	非标准，GNU 扩展

记忆：

• l（list）：表示参数采用列表。
• v（vector）：参数用数组。
• p（path）：有 p 自动搜索环境变量 PATH。
• e（env）：表示自己维护环境变量。

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1. man 手册查询

一般来说使用 man 3 exec（6 个）和 man 2 execve（1 个）就能进行查询，但是不妨有朋友像我一样被提示“No manual entry for execl”，如何解决？根据搜索，使用命令 sudo yum install man-pages man-pages-posix 即可（如果是其他情况还请自行搜索）。

2. 核心函数详解（实战场景）

① execl（列表传参 + 绝对路径）

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

• 重点：必须指定完整路径，参数以列表形式传递，末尾必须加 NULL。

② execlp（列表传参 + 自动搜索 PATH）

execlp("ls", "ls", "-l", NULL); 	// 执行系统命令 ls（自动搜索 PATH 环境变量）

• 优势：直接使用命令名（如 ls），无需写绝对路径。

③ execle（列表传参 + 自定义环境变量）

// 自定义环境变量并执行程序
char *env[] = {"MY_ENV=hello", NULL};
execle("/path/to/my_program", "my_program", NULL, env); 

• 应用场景：需要为子进程指定独立环境变量（如容器化任务）。

④ execv（数组传参 + 绝对路径）

// 参数以数组形式传递
char *argv[] = {"ls", "-l", NULL};
execv("/bin/ls", argv); 

• 适用场景：参数动态生成（如从用户输入或配置文件读取）。

⑤ execvp（数组传参 + 自动搜索 PATH）

// 动态参数数组 + 自动搜索 PATH
char *argv[] = {"ls", "-l", NULL};
execvp("ls", argv); 

• 高频用法：实现类似 Shell 的功能（动态解析命令参数）。

⑥ execvpe（数组传参 + 搜索 PATH + 自定义环境变量）

// GNU 扩展，非所有系统支持
char *argv[] = {"my_program", NULL};
char *env[] = {"CUSTOM_ENV=1", NULL};
execvpe("my_program", argv, env); 

• 注意：execvpe 是 GNU 扩展函数，需确认系统支持（如 Linux 可用）。

⑦ execve（系统调用 + 完全控制）

// 系统调用级函数，直接控制环境变量和参数
char *argv[] = {"ls", "-l", NULL};
char *env[] = {"PATH=/bin", NULL};
execve("/bin/ls", argv, env); 

• 本质：其他 exec 函数最终调用 execve 实现功能。

[!NOTE]

所有 exec 函数 成功时不返回，失败时返回 -1！ 检查返回值并处理错误：

if (execl(...) == -1)
{
    perror("执行失败！");
    exit(1);
}

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

int main()
{
    char* const argv[] = { "ps", "-ef", NULL };
    char* const envp[] = { "PATH=/bin:/usr/bin", "TERM=console", NULL };

    // execl: 需要完整路径
    if (execl("/bin/ps", "ps", "-ef", NULL) == -1)
    {
        perror("execl");
        exit(1);
    }

    // execlp: 使用 PATH 环境变量
    if (execlp("ps", "ps", "-ef", NULL) == -1)
    {
        perror("execlp");
        exit(1);
    }

    // execle: 需要自己设置环境变量
    if (execle("ps", "ps", "-ef", NULL, envp) == -1)
    {
        perror("execle");
        exit(1);
    }

    // execv: 参数通过数组传递
    if (execv("/bin/ps", argv) == -1)
    {
        perror("execv");
        exit(1);
    }

    // execvp: 使用 PATH 环境变量
    if (execvp("ps", argv) == -1)
    {
        perror("execvp");
        exit(1);
    }

    // execve: 需要自己设置环境变量
    if (execve("/bin/ps", argv, envp) == -1)
    {
        perror("execve");
        exit(1);
    }

    return 0;
}

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5. 部分代码实战

1. 使用 execvp 执行动态命令

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

int main()
{
    char *args[] = {"ls", "-l", "-a", NULL}; // 参数数组
    execvp("ls", args);
    perror("execvp 失败！");
    return 1;
}

• 输出：执行 ls -l -a，参数通过数组动态传递。

2. 使用 execle 自定义环境变量

#include <unistd.h>

int main()
{
    char *env[] = {"USER=test", "PATH=/usr/bin", NULL};
    execle("/bin/ls", "ls", "-l", NULL, env);
    return 1; // 只有出错才会执行
}

• 作用：子进程的环境变量被替换为 env 数组中的内容。

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6. 代码验证 exec 执行系统命令和自定义命令

1. 执行系统命令（如 ls）

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

int main()
{
    execlp("ls", "ls", "-l", NULL);     // 执行系统命令 ls -l，自动搜索 PATH 环境变量
    perror("execlp 失败！");            // 若替换失败才会执行以下代码
    return 1;
}

执行结果：输出当前目录的文件列表（与终端直接运行 ls -l 效果一致）。

2. 执行自定义程序（如编译后的 my_program）

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

int main()
{
    // 执行我们用户自己的程序（假设 my_program 在 /home/user/bin 下）
    execl("/home/user/bin/my_program", "my_program", "arg1", "arg2", NULL);
    perror("execl失败！");
    return 1;
}

关键点：

• 路径必须正确：需指定自定义程序的绝对路径或确保其在 PATH 环境变量中。
• 参数自由传递：可传递任意参数给自定义程序（my_program 的 main 函数接收这些参数）。

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7. 向子进程传递环境变量

1. 使用 execle 或 execvpe 自定义环境变量

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

int main()
{
    char* env[] = { "MY_ENV=hello", "PATH=/usr/bin", NULL };    // 自定义环境变量数组（必须以 NULL 结尾）
    execle("/bin/ls", "ls", "-l", NULL, env);                   // 执行程序并传递自定义环境变量
    perror("execle失败！");
    return 1;
}

验证方法：在 ls 程序中无法直接看到环境变量（因为 ls 不读取这些变量），但可通过以下方式验证：

// 编写一个测试程序 test_env.c
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>

int main()
{
    printf("MY_ENV=%s\n", getenv("MY_ENV"));    // 输出自定义环境变量
    return 0;
}

// 编译后执行：
execle("./test_env", "test_env", NULL, env);    // 输出 "MY_ENV = hello"

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8. 环境变量是覆盖还是追加？

1. 核心规则

• 若显式传递环境变量（如 execle 或 execve）：完全覆盖 父进程的环境变量，子进程仅保留传递的环境变量。
• 若不传递环境变量（如 execlp 或 execv）：继承父进程的所有环境变量。

2. 示例验证

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

int main()
{
    setenv("PARENT_ENV", "parent_value", 1);            // 父进程设置一个环境变量
    char* env[] = { "CHILD_ENV=child_value", NULL };    // 自定义子进程环境变量

    if (fork() == 0)                                    // 子进程使用 execle 传递自定义环境变量
    {
        execle("./test_env", "test_env", NULL, env);
        perror("execle failed");
        _exit(1);
    }
    else
    {
        wait(NULL);
    }
    return 0;
}

test_env 程序输出：

CHILD_ENV=child_value
PARENT_ENV=(null)   # 父进程的环境变量被覆盖！

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9. 总结

1. 核心原理

• 不创建新进程：复用现有进程的 PID 和资源（文件描述符等），仅替换代码和数据段。
• 执行即替换：成功后原进程代码立即终止，从新程序的 main 开始执行。
• 资源处理：默认关闭未标记的文件描述符，避免资源泄漏。

2. 关键函数实战场景

函数名	参数形式	路径搜索	环境变量	适用场景
execl	列表传参	否	继承父进程	参数固定 + 绝对路径（如 /bin/ls）
execlp	列表传参	是	继承父进程	执行系统命令（如 ls，依赖 PATH）
execle	列表传参	否	自定义覆盖	需要独立环境变量（如容器化任务）
execv	数组传参	否	继承父进程	动态生成参数（如用户输入解析）
execvp	数组传参	是	继承父进程	Shell 类动态命令执行（如 ls -l -a）
execve	数组传参	否	自定义覆盖	系统级控制（底层实现）

3. 环境变量规则

• 覆盖规则：使用 execle 或 execve 时，子进程环境变量完全替换为传入的数组。
• 继承规则：默认继承父进程环境变量，适用于 execl、execv、execlp、execvp。

4. 实战口诀

• 列表传参用 l，数组传参用 v
• 自动搜索加 p，环境变量加 e
• 路径要对、参数要全、NULL 收尾、错误要检！