进程控制（三）：进程替换

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进程控制（三）

进程控制中的进程替换，下文我们学习进程替换的意义，以及进程替换的方式

进程替换

初步认识进程替换，我们先使用一个比较简单的execl函数，来实现进程替换，并从结果上，了解替换的原理。

单进程进程替换

简单实现一下进程替换，以此推理进程替换原理

#include
#include
#include


int main()
{
  //实现单进程的进程替换
  printf("hello linux\n");//输出
  execl("/usr/bin/ls","ls","-a","-l",NULL);//输入的第一个参数为要执行的进程的绝对路径，后面的参数为命令行参数，可变序列参数以NULL结尾，表示结束
  
  printf("hello world\n");
  return 0;
}

单进程实现进程替换，我们发现进程的代码和数据会被替换，替换execl函数内参数所指定的内容。

多进程（父子进程）实现进程替换

#include
#include
#include
#include
#include

int main()
{
  //实现单进程的进程替换
 // printf("hello linux\n");//输出
 // execl("/usr/bin/ls","ls","-a","-l",NULL);//输入的第一个参数为要执行的进程的绝对路径，后面的参数为命令行参数，可变序列参数以NULL结尾，表示结束
 // 
 // printf("hello world\n");
  
  //实现多进程（父子进程）进程替换
  
  //创建子进程
  pid_t id=fork();

  if(id==0)
  {
    //表示子进程
    printf("i am child process pid: %d ppid: %d\n",getpid(),getppid());//得到父进程子进程的pid
    execl("/usr/bin/ls","ls","-l",NULL);//实现程序替换

    exit(11);//退出码，查看是否是会覆盖该代码，如果覆盖的话，我们执行的是ls命令，执行成功，返回码exit为0，通过waitpid进行等到得到status，WEXITSTATUS(status)来判断是否是这样
  }
  else if(id<0)
  {
    //表示子进程创建失败
    perror("fork failed\n");
    exit(1);//表示是创建失败
  }
  else 
  {
    //这是父进程要执行的内容，我们先进行等待
    
    //waitpid等待
    int status=0;
    pid_t ret=waitpid(-1,&status,0);//阻塞等待

    if(ret<0)
    {
      //表示等待失败
      perror("wait failed\n");
      exit(2);
    }
    else 
    {
      //等待成功，我们要输出的是子进程的退出码
      printf("i am parent pid: %d child pid: %d child exit_code: %d\n",getpid(),id,WEXITSTATUS(status));
    }
  }
    return 0;
}

上述多进程进程替换后的结果，表明了进程替换的原理，为将新进程的数据和代码直接覆盖原来的进程的代码。

进程替换原理

1. 首先，我们知道进程运行时，有task_struct结构体来存储进程信息，以及虚拟空间地址(mm_struct)存储数据，通过页表映射到物理内存
2. 先运行原有进程，然后fork创建子进程，在子进程中使用进程替换，把子进程的数据和代码进行替换，操作系统识别到要更改子进程的代码和数据，在物理内存中开辟空间，将新进程代码和数据放入，更改页表指向该地址。
3. 通过上述步骤，实现了子进程的进程替换，此时子进程的task_struct除了代码和数据地址，其他没有变化。

如下图所示：

通过上述内容，我们就能明白进程替换的原理了，起始就是更改物理空间原有进程的代码数据，如果是父子进程，那么就在物理空间上开辟新空间，存放代码和数据，更改子进程页表指向。

进程替换函数

进程替换函数有7种，其中，库函数（man 3号手册）中有6种函数，系统调用（man 2号手册）有一种函数

       //man 2 exec   库函数 6种
	   int execl(const char *path, const char *arg, ...);
       int execlp(const char *file, const char *arg, ...);
       int execle(const char *path, const char *arg,
                  ..., char * const envp[]);
       int execv(const char *path, char *const argv[]);
       int execvp(const char *file, char *const argv[]);
       int execvpe(const char *file, char *const argv[],
                   char *const envp[]);

下面是这6种函数的使用样例:

#include
#include
#include
#include
#include


int main()
{
  //使用进程替换，为了简单的演示，我们就单纯使用单进程进程替换来实现
  //1. int execl(const char *path, const char *arg, ...);
  int num=0;
  scanf("%d",&num);//输入参数选定不同的进程替换参数
  if(num==1)
  {
    printf("进程替换函数execl\n");
    execl("/usr/bin/ls","ls","-l",NULL);//实现完毕，可变列表的实现，以NULL为结尾
    printf("进程替换完毕\n");
  }
  else if(num==2)
  {
    //int execlp(const char *file, const char *arg, ...);
    //该函数的实现，第一个参数，不必要使用绝对路径，会从PATH以及当前目录下，找到可执行文件，并结合avg命令行参数实现
    printf("execlp函数的实现\n");
    execl("/usr/bin/pwd","pwd",NULL);//实现显示当前工作路径
  }
  else if(num==3)
  {
    //int execle(const char *path, const char *arg,  ..., char * const envp[]);
    //实现功能：需要绝对路径，需要可变列表，需要环境变量
    printf("execle函数的实现\n");
    char * const env[]={"why=123",NULL};
    execle("/usr/bin/ls","ls",NULL,env);
  }
  else if(num==4)
  {
    // int execv(const char *path, char *const argv[]);
    printf("execv函数的实现\n");
    char * const argv[]={"top",NULL};
    execv("/usr/bin/top",argv);

  }
  else if(num==5)
  {
    //int execvp(const char *file, char *const argv[]);
    printf("execvp函数的实现\n");
    char * const argv[]={"ls",NULL};
    execvp("ls",argv);
  }
  else if(num==6)
  {
    //int execvpe(const char *file, char *const argv[],  char *const envp[]);
    printf("execvpe函数的实现\n");
    char * const argv[]={"ls",NULL};
    char * const env[]={"lll=123456",NULL}; 
    execvpe("/usr/bin/ls",argv,env);
  }
  return 0;
}

解释：

1. 对于环境变量以及命令函参数，无论是可变参数形式，还是字符指针数组形式，最后一个元素都要是NULL结尾，标志参数输入完毕。
2. 对于这六种函数本质上没什么太大的区别，只是对于参数的形式不同。
3. 关于环境变量，我们可以使用putenv和getenv函数来增加或者得到指定的环境变量，参数都是字符指针类型，比如getenv(“PATH”)

进程中的环境变量

对于进程中的环境变量进行解释，以下图为准

1. getenv和putenv函数可以实现得到/创建环境变量信息
2. PATH环境变量，父子进程都能获得，我们在后文可知，实际上是bash对于进程默认传参environ环境变量（在Linux下就是env命令展示的内容），所以只要系统环境变量中存在的，我们在进程中都能直接getenv获得。
3. 子进程得到环境变量有两种方式：新增环境变量（putenv，在fork之前），另外是通过进程替换函数，自定义环境变量参数，传参（是彻底替换，即覆盖默认environ）

通过上述图中代码结果表明，我们putenv新建的环境变量，实际上只是在当前进程中的environ有效，但是等进程结束之后，输入env命令，并不会有我们新增的环境变量，这说明，由于进程的独立性，子进程的环境变量并不会影响其他进程（系统，本身也是一个进程）。

最后，对于库函数中的6种进程替换函数，以及对于其中环境变量与进程的关系，我们已经解释完毕，最后一个系统函数调用execve，我们只需要知道，前6种库函数，最后底层都是调用该函数，对于操作系统进行操作（也只有系统调用函数才能对于操作系统操作），以此全局视角，才能操控进程，从而替换进程中数据和代码，最终实现进程替换。

总结

• 进程替换，实际上只是对于该进程的程序和代码进行替换，子进程的其他信息如pid等都不发生变化，如果是存在父子进程的情况，对父子进程进程替换，会在物理空间中在开辟新空间来存放新进程的代码和数据。
• 掌握7个进程替换函数，其中6个是库函数，一个是系统调用函数，库函数的底层会使用这个系统调用函数，来实现对于系统中的进程进行操作。
• 进程环境变量是有默认的数值的，即一个进程默认的环境变量为操作系统中的env命令展示的内容，在C语言中，我们将environ（类型为char**）变量指向该环境变量，如果在执行进程替换中传递我们自己创建的环境变量， 如myenv，会覆盖原有的environ环境变量。