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深入理解Linux进程程序替换：从原理到实践

news 2025/8/26 7:53:17

前言：一个司空见惯的现象

一、什么是进程程序替换？

1. 当进程调用exec函数时，对进程有什么影响？

2.验证执行exec函数之后，代码不会继续后续的原代码

3.验证子进程的替换并不会创建新的进程

二、为什么需要进程程序替换？

三、exec函数族：替换的利器

1.函数家族概览

2.函数命名规律：

四、实战演示：各种exec函数的使用

1.execl 与execv

1.1execl

1.2execv

2.execlp与execvp

2.1execlp

2.2 ececvp

3.execle 与execve

3.1ececle

3.2execve

4.验证父进程的环境变量是原封不懂传给子进程

前言：一个司空见惯的现象

当我们打开终端，输入 ls -la 并按下回车时，发生了什么？ bash 进程并没有消失，而是 ls 程序神奇地运行了起来并显示了结果。这背后正是 进程程序替换的魔法。

本文将深入探讨Linux中进程程序替换的机制，带你理解这个强大而重要的概念。

一、什么是进程程序替换？

用fork创建子进程，父进程需要子进程调执行另外的代码，当子进程往往要调用exec函数，以执行另一个程序

1. 当进程调用exec函数时，对进程有什么影响？

该进程的代码和数据完全被新程序替换，替换完之后，运行成功，原代码之后的代码不会运行，运行失败，原代码之后的代码任然会运行,并且子进程的pid并不会改变

原理：

将磁盘中的内存，加载入内存结构。

重新建立页表映射，谁执行程序替换，就重新建立谁的映射（下图为子进程建立）。

效果：让父进程和子进程彻底分离，并让子进程执行一个全新的程序。

这里左边基本不发生变化，右边将磁盘的上的程序加载到内存，并和当前进程的页表，重新建立映射，这就是进程替换。

这个过程有没有创建新的进程呢？

没有，因为子进程的内核数据结构根本没变，只是重新建立了虚拟地址和物理地址之间的映射关系。内核数据结构没有发生任何变化，包括进程的pid都没变，说明没有创建子进程

2.验证执行exec函数之后，代码不会继续后续的原代码

linux代码：

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>int main() 
{printf("pid: %d, exec command begin\n", getpid());// 用 execl 这个函数来调用系统的命令execl("/usr/bin/ls", "ls", "-a", "-l", NULL);printf("pid: %d, exec command end\n", getpid());return 0;
}

结果：

！！！原代码并没有输出 printf("pid: %d, exec command end\n", getpid());

3.验证子进程的替换并不会创建新的进程

代码：

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/wait.h>
#include <stdlib.h>
int main()
{pid_t id = fork(); // 创建子进程if (id == 0){// 这里是子进程printf("pid: %d, exec command begin\n", getpid());sleep(3);// 用 execl 这个函数来调用系统的命令execl("/usr/bin/ls", "ls", "-a", "-l", NULL);printf("pid: %d, exec command end\n", getpid());exit(1); // execl 这个函数如果执行成功，就不会来到这下面的语句，如果执行失败才会来到这里，所以我们这里就直接退出}else {// 这里是父进程pid_t rid = waitpid(-1, NULL, 0);if (rid > 0){printf("wait scuess, rid: %d\n", rid);}}return 0;
}

结果：

由父进程等待子进程，获取子进程pid可以知道，子进程的pid并没有变化，所以程序替换不会改变子进程的pid

二、为什么需要进程程序替换？

父进程创建子进程的目的有两种：

1.子进程执行父进程代码的一部分

2.让子进程运行一个全新的程序

允许程序在运行时决定要加载和执行哪些其他程序。

三、exec函数族：替换的利器

Linux提供了exec系列函数来完成程序替换，它们都定义在<unistd.h>头文件中。

1.函数家族概览

2.函数命名规律：

l (list)：参数以列表形式传递

v (vector)：参数以数组形式传递

p(path)：在PATH环境变量中查找程序

e (environment)：可自定义环境变量

四、实战演示：各种exec函数的使用

小编用相近的函数来输出

1.execl 与execv

1.1execl

列表参数

int execl(const char *path, const char *arg0, ..., (char *)NULL);

示例：

！！！需要以NULL结尾

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

1.2execv

列表参数

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

示例：

！！！char * argv[]这个数组需要以NULL结尾

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

2.execlp与execvp

这里只比execl和execv多了个p，p有啥用呢？简化！有了p之后，原本第一参数需要输入完整的路径，现在只需要输入那个程序（环境变量中有的）

2.1execlp

列表参数：

int execlp(const char *file, const char *arg0, ..., (char *)NULL);

示例：

// 执行 ls -l -a（自动在PATH中查找ls）
execlp("ls", "ls", "-l", "-a", NULL);

2.2 ececvp

列表参数

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

示例:

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

3.execle 与execve

这里只比execl和execv多了个e，e有啥用呢？有了e,便可自己创建的环境变量，如果没有创建自己的环境变量，子进程会默认继承父进程的环境变量，父进程的环境变量是全局性的

3.1ececle

列表参数：

int execle(const char *path, const char *arg0, ..., (char *)NULL, char *const envp[]);

示例：

char *envp[] = {"MY_VAR=hello", "PATH=/usr/bin", NULL};
execle("/bin/bash", "bash", "-c", "echo $MY_VAR", NULL, envp);

3.2execve

列表参数：

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

示例：

char *argv[] = {"bash", "-c", "echo $CUSTOM_VAR", NULL};
char *envp[] = {"CUSTOM_VAR=test_value", "PATH=/bin", NULL};
execvpe("bash", argv，envp);

4.验证父进程的环境变量是原封不懂传给子进程

例子是网上找的！！！
代码：

#define _POSIX_C_SOURCE 200112L
#define _GNU_SOURCE#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>
#include <sys/wait.h>
#include <sys/types.h>extern char **environ;// 打印环境变量的函数
void print_environment(const char *title) {printf("=== %s ===\n", title);for (char **env = environ; *env != NULL; env++) {printf("%s\n", *env);}printf("====================\n\n");
}int main() {// 1. 先打印父进程的原始环境变量print_environment("父进程原始环境变量");// 2. 添加一个新的环境变量到父进程setenv("PARENT_VAR", "parent_value", 1);setenv("SHARED_VAR", "original_value", 1);printf("在父进程中设置环境变量后:\n");printf("PARENT_VAR=%s\n", getenv("PARENT_VAR"));printf("SHARED_VAR=%s\n", getenv("SHARED_VAR"));printf("\n");// 3. 再次打印父进程环境变量print_environment("父进程设置变量后环境变量");pid_t pid = fork();if (pid == 0) {// 子进程printf("子进程开始执行...\n");// 4. 打印子进程继承的环境变量print_environment("子进程继承的环境变量");printf("子进程中读取环境变量:\n");printf("PARENT_VAR=%s\n", getenv("PARENT_VAR"));printf("SHARED_VAR=%s\n", getenv("SHARED_VAR"));printf("\n");// 5. 在子进程中修改环境变量setenv("CHILD_VAR", "child_value", 1);setenv("SHARED_VAR", "modified_by_child", 1);printf("子进程修改环境变量后:\n");printf("PARENT_VAR=%s\n", getenv("PARENT_VAR"));printf("SHARED_VAR=%s\n", getenv("SHARED_VAR"));printf("CHILD_VAR=%s\n", getenv("CHILD_VAR"));printf("\n");// 6. 使用execvpe执行env命令，显示最终环境变量char *argv[] = {"env", NULL};char *envp[] = {"CUSTOM_VAR=custom_value","PATH=/usr/bin:/bin","TERM=xterm",NULL};printf("使用execvpe执行env命令...\n");execvpe("env", argv, envp);// 如果execvpe失败perror("execvpe failed");exit(1);} else if (pid > 0) {// 父进程wait(NULL); // 等待子进程结束printf("\n父进程在子进程结束后:\n");printf("PARENT_VAR=%s\n", getenv("PARENT_VAR"));printf("SHARED_VAR=%s\n", getenv("SHARED_VAR"));// 检查CHILD_VAR是否存在char *child_var = getenv("CHILD_VAR");printf("CHILD_VAR=%s\n", child_var ? child_var : "(null)");printf("\n验证：子进程的环境修改不影响父进程\n");} else {perror("fork failed");return 1;}return 0;
}

结果：