【Linux系统编程】程序替换：execve（execl、execlp、execle、execv、execvp、execvpe）

前言

在现代操作系统中，进程是执行程序的基本单位，每个进程拥有独立的地址空间、代码和数据。当一个程序正在运行时，有时我们希望它能够“脱胎换骨”，从自身变成另一个程序——这就是程序替换（Process Replacement）的概念。在 Unix/Linux 系统中，这种能力被 exec 系列函数实现，它允许一个进程在原地加载并执行新的可执行文件，而无需创建新进程，从而节省资源并保持进程的身份标识（PID）不变。

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exec系列函数关系图

                  +--> execl()  ——  参数用列表|execve()  <------+--> execv()  ——  参数用数组|+--> execlp() —— 查 PATH|+--> execvp() —— 查 PATH，参数用数组|+--> execle() —— 自定义环境|+--> execvpe() —— 查 PATH + 自定义环境

• 返回值：成功则不返回（当前程序被覆盖）；失败返回-1
• exec*系列函数都是对系统调用接口execve()的封装，封装函数的形参中未实现的则使用系统默认的值；
  • 例如： execve接口的参数有pathname、argv、envp；execl的形参只有两个，path和argv；那么一个进程的程序数据使用execl替换后，在替换的程序中访问argv，那就是我显示传入的形参argv的值，
    但是如果访问envp，那么就是系统默认传入的envp值(environ指向的环境变量)；
• 函数的命名规律：exec[l|v][p][e]
  • l:list（可变参数列表）
  • v:vector（数组）
  • p:path（PATH查找）
  • e:environ(自定义环境)

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程序替换的原理

1. 可执行文件=代码+数据
2. 在一个进程在执行exec*替换函数时，会将当前进程的代码段、数据段、堆、栈都被清空，并初始化新的堆、栈（argv,envp）、数据和代码内容；
3. 程序替换会将当前进程的代码和数据替换为其他文件的代码数据，所以我们一般会创建一个子进程，将其他文件的代码和数据替换到子进程中，进而不影响父进程的正常运行；

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函数的介绍及使用

execl( )

函数原型： int execl(const char *path, const char *arg, ... /* (char *) NULL */);
参数说明：

• path：文件的绝对路径
• arg：可变参数列表（最后以NULL结尾，表示参数传入完毕）

代码示例：

#include <unistd.h>
#include <stdio.h>int main() {printf("当前程序开始运行……\n");if(fork()==0){execl("/usr/bin/ls","ls","-l","-a",NULL);exit(1);//如果返回并继续向下执行，说明替换失败，直接退出；}waitpid(-1,NULL,0);//进程等待printf("当前程序停止运行……\n");
}

执行结果：

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execlp()

再execl基础上不仅可以通过文件名方式（环境变量PATH）查找还可以通过绝对路径的方式查找

原型：int execlp(const char *file, const char *arg, .../* (char *) NULL */);
参数说明：

• file：文件名或文件绝对路径；
• arg：可变参数列表（最后以NULL结尾，表示参数传入完毕）

代码示例：（与execl基本相同）

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

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execle()

指定文件绝对路径，自定义环境变量

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

参数说明：

• path：文件绝对路径
• arg：可变参数列表
• envp：自定义的环境变量（注意：必须写在NULL的后面）

代码示例：

//test.c
#include <sys/wait.h>
#include <unistd.h>
#include <stdio.h>int main() {printf("当前程序开始运行……\n");if(fork()==0){printf("hello test,child pid:%d\n",getpid());char* env[]={	//自定义环境变量"PATH=/learn/linux/leason15",NULL};execle("proc","./proc",NULL,env);}waitpid(-1,NULL,0);printf("当前程序停止运行……\n");return 0;
}

//proc.c
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>int main(int argc,char* argv[],char* env[])
{printf("hello proc,child pid:%d\n",getpid());for(int i=0;env[i];i++)printf("env:%s\n",env[i]);return 0;
}

运行结果：

• 这里可以看到test.c的子进程将proc文件进行替换；并在替换前和替换后输出PID，可以证明程序替换后确实没有创建新的进程；

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execv()

指定绝对路径，自定义命令行参数

原型：int execv(const char *path, char *const argv[]);
参数说明：

• path：文件绝对路径
• argv： 自定义命令行参数
  • （指针数组，数组与系统命令行参数格式相同，最后一个参数为NULL；可看作可变参数列表)

代码示例：

#include <sys/wait.h>
#include <unistd.h>
#include <stdio.h>int main() {printf("当前程序开始运行……\n");if(fork()==0){char* argv[]={"ls","-l",NULL};execv("/usr/bin/ls",argv);	}waitpid(-1,NULL,0);printf("当前程序停止运行……\n");return 0;
}

运行结果:

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execvp(）

与execv基本相同，唯一不同的是 可以通过文件名(PATH环境变量)的方式查找文件；

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

参数说明：

• file：要执行文件名/绝对路径
• argv： 自定义命令行参数

代码示例:

#include <sys/wait.h>
#include <unistd.h>
#include <stdio.h>int main() {printf("当前程序开始运行……\n");if(fork()==0){char* argv[]={"ls","-l",NULL};execvp("ls",argv);	//通过PATH查询}waitpid(-1,NULL,0);printf("当前程序停止运行……\n");return 0;
}

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execvpe()

相当于execvp和execle的结合版；

原型：int execvpe(const char *file, char *const argv[],char *const envp[]);
参数说明：

• file：要执行文件名/绝对路径
• argv： 自定义命令行参数
• envp：自定义环境变量

代码示例：

//test.c
#include <sys/wait.h>
#include <unistd.h>
#include <stdio.h>int main() {printf("当前程序开始运行……\n");if(fork()==0){char* argv[]={"-a","-b","-c",NULL};char* envp[]={"PATH=/1/2/3","NAME=YANG",NULL};execvpe("./proc",argv,envp);	}waitpid(-1,NULL,0);printf("当前程序停止运行……\n");
}

//proc.c
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>int main(int argc,char* argv[],char* env[])
{printf("hello proc,child pid:%d\n",getpid());for(int i=0;env[i];i++)printf("env:%s\n",env[i]);printf("argv:");for(int i=0;argv[i];i++)printf("%s ",argv[i]);printf("\n");return 0;
}

运行结果：

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execve（系统调用）

前面的六个程序替换函数底层都是调用的execve接口；这里execve函数的参数和前面替换函数的用法相同，这里就简单说明每个参数的含义即可，了解完前面的函数自然就会使用这个函数接口

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

参数说明：

• pathname：文件的绝对路径
• argv[]：命令行参数数组（最后以 NULL 结束）
• envp[]：环境变量数组（同样以 NULL 结束）

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拓展

putenv

作用： 把指定的字符串指针直接放入进程的环境变量表（char** environ）中
返回值：

• 成功返回 0
• 失败返回 非 0（通常是内存不足）

参数：
string:字符串 （是一个形如 "NAME=VALUE" 的字符串）

特点： 直接将你传入的指针地址放到当前进程的环境变量表中；（也就意味着后续你如果修改这段字符串的内容，环境变量中的这个值也会随之改变）

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在使用程序替换函数中envp参数时，都是我们自定义的；但是这里会有一个小问题：

• 在我们还没对一个进程中的代码数据进行替换时，它的环境变量等参数都是从父进程继承下来的，也就是系统原本的环境变量，当我们传入自定义的envp参数之后，系统的环境变量表中的值也会被全部替换，在实际情况中，系统的环境变量中的参数我们也需要用到，自定义的环境变量参数也要用到；所以这里就需要用putenv函数来将我们自定义的环境变量参数插入到系统的环境变量表中，这样就不会覆盖掉原本的环境变量了；
• char** environ参数： 全局变量，指向当前进程的环境变量表；
• 自定义的环境变量传给envp时，我们就可以通过putenv将自定义环境变量中的值插入到environ的后面，就不会改变当前进程原有的环境变量了；

代码示例：

//test.c
#include <sys/wait.h>
#include <unistd.h>
#include <stdio.h>int main() {printf("当前程序开始运行……\n");if(fork()==0){char* argv[]={"-a","-b","-c",NULL};char* envp[]={"TEST_PATH=/1/2/3",//避免与进程环境变量中的PATH重名，导致PATH的value值"NAME=YANG",NULL};extern char** environ; for(int i=0;envp[i];i++)putenv(envp[i]);	//将自定义环境变量中的值插入到当前进程的环境变量中execvpe("./proc",argv,environ);	//最后envp参数直接传入当前进程的环境变量environ}waitpid(-1,NULL,0);printf("当前程序停止运行……\n");return 0;
}

//proc.c
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>int main(int argc,char* argv[],char* env[])
{for(int i=0;env[i];i++)printf("env:%s\n",env[i]);printf("argv:");for(int i=0;argv[i];i++)printf("%s ",argv[i]);printf("\n");return 0;
}

运行结果:

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setenv / unsetenv

setenv和putenv的作用基本相同；
在底层setenv会在堆上重新分配environ的空间并拷贝字符串，将参数设置（插入）到拷贝后的空间中；之后我们如果修改原来的字符串并不会影响到环境变量中的参数，相对putenv更加的安全，只是不断的拷贝性能会有所下降；（在实际编码时，更推荐使用setenv）

setenv

原型：int setenv(const char *name, const char *value, int overwrite);
参数说明：

• name：环境变量名，不能包含 =
• value：环境变量值
• overwrite：
  • 若为 0，且环境变量已存在，则不修改；
  • 若为 非 0，则强制更新；

返回值

• 成功返回 0
• 失败返回 -1

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unsetenv

作用： 删除指定名称的环境变量；
原型：int unsetenv(const char* name)
返回值：

• 成功返回 0
• 失败返回 -1

注意: 如果name在环境变量中不存在，unsetenv什么也不做；如果name为空字符串或者字符串中包含=，就会报错；

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