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1.程序替换

预备工作

上级目录（…）下的fork目录下的makefile文件拷贝到当前目录并且命名为Makefile

把proc1替换为myexec

1.1 现象和原理

先看现象，可以看到执行了main函数第一句代码，接着就执行的是ls -a -l

这时候回想fork的两种用法，创建子进程一种是指向父进程的部分任务，另一种是执行全新的任务，就是调用exec系列函数实现的程序替换，可以理解为是main函数在exec之后的代码都被替换为了另一个进程的代码，堆、栈、数据也被替换掉，其实我们知道进程是内核数据结构（PCB+页表+进程地址空间）+代码/数据，而要替换数据/代码，其实也就是改页表的虚拟地址和物理地址的映射关系

程序替换的本质，把数据和代码加载（拷贝）到内存中，也就是IO，程序要运行，得先加载到内存中，只有OS（软硬件资源的管理者）有权把数据从一个硬件转移到另一个硬件，也就是说OS必须提供相应的系统调用完成加载的过程，C/C++程序，第一个执行的函数不是main函数，任何程序启动时，先执行OS的加载器的代码，扫描程序在什么路径，找到程序后，调用exec，替换数据和代码，在linux系统下，任何程序之前都会先执行加载器(ld)

也可以看到exec系列的函数之后的代码不会被执行，因为代码已经被替换了，执行的是新的代码，exec系列的函数成功运行时没有返回值

接着我们演示一下fork+exec
子进程执行exec系列的代码，父进程执行自己的代码，我们知道子进程创建的时候会拷贝父进程的页表/进程地址空间，在指向exec时写入堆/栈/数据/代码，发生写时拷贝，父子进程分离

创建一个进程，让该进程可以执行完全不同的程序，最经典的引用场景是bash（命令行解释器），bash最核心的指令是fork+exec，把输入的命令，也就是从命令行输的字符串喂给exec，bash以子进程的方式运行所以要执行的命令

1.2 用法

运行任何进程第一件事是把对应的可执行文件从磁盘加载到内存中（提供文件路径及名称），第二件事就是如何运行（比如ls的-a，-l选项等）

exec系列的库函数如下

1.2.1 execl

top -d 1 -n 4表示每隔1s刷新一次，一共刷新4次，用于周期性监控进程
创建子进程替换为top指令

exec系列函数后面的代码都被替换了，如果替换成功，系统指令或者自己写的程序一般运行结束都会主动退出；如果替换失败，执行后续指令（一般exit填入的值表示出现异常）

从man手册可以看到，正常运行结束，exec系列函数是没有返回值的，如果出现异常，返回值是-1，并且设置errno

测试如下，传入错的path

1.2.2 execlp

execlp和execl的区别是，我们看到下图，一共参数是path，一个参数是file，只要带p就是我们不需要传可执行文件所在的路径，只需要传文件名即可，系统会自动去环境变量PATH表明的路径下查找

1.2.3 execv

我们看到execv和execl的区别是在传第二个及以后参数时，execl是列举，execv的v是vector，把参数存到一个向量表（指针数组）构建一个参数表，接着传入该向量

char* const pconst修饰的是p，也就是指针本身，指针本身不能被修改，不能执行其它元素，但可以修改*p，也就是p指向的内容

const char* pconst修饰的是*p，也就是p指向的内容不能被修改，但是p本身可以修改，也就是p可以改指向，指向其它元素

char* const argv[]是数组指针，每个元素是char* const argv[i]，const修饰的是指针，指针本身不能修改，argv[0]=“ls”，指向内容也不能修改（常量字符串），也就是数组本身不能被修改

但其实"/usr/bin/ls"本身是可执行程序，有main函数，main函数有参数，int main(int argc, char* const argv[])，其实execv(const char* path, char* const argv[])，这个argv就是传给ls内的main函数的，argv[0]就是程序名，argv后面的就是选项

那我们在bash命令行输入指令ls -a -l等，argv是bash帮我们传的，也是用exec系列的替换函数，如果是execv，将ls -a -l等构建一个参数表，传入execv

但此处是硬编码的，我们知道，bash命令行是可以执行很多命令的，我们可以把表放到全局，每次创建子进程，根据情况修改参数表传入execv

1.2.4 execvp

execvp和execv的区别是，多了一个p也就是第一个参数只需要传入可执行文件名，而不需要传入可执行文件所在文件路径

测试

但打印结果不带颜色，其实执行/usr/bin路径下的ls也不带颜色

我们bash命令行使用的ls其实是封装过的

在传参的时候带上颜色配置即可

可以看到.c文件编译得到的myexec可执行文件中创建子进程可以替换为.cpp编译得到的可执行文件，也可以调用系统指令，linux下都是elf(xecutable and Linkable Format)

shell脚本

也可以给test.sh➕️可执行权限，直接运行

脚本语言没有编译链接的概念，解释器是由C/C++编写，在命令行启动，解释器变成进程，把脚本中的命令一行一行读取进行执行

运行python文件

python, shell, php, c/c++运行时都是进程，运行时是进程的，都可以进行exec程序替换，是系统概念（不是语言概念）

运行一个程序，把编译器替换为自己的编译器，把代码读进来，就能直接编译代码，编译器也是命令，也有选项，gcc/g++ -o -c -E vs IDE环境，写好代码，点击，fork创建子进程，exec系列函数替换为编译器，读取并编译代码，所有平台（比如windows）下都有类似的函数；安装软件，给一个图形化界面，软件可以配很多程序，图形化界面底层和shell外壳类似，点击👆一个功能，fork+exec调用该功能，vs2022图形化界面的程序，配置文本编辑器，调试器，编译器（三个命令），打开代码，替换编辑器；编译代码，替换编译器；想使用什么功能，fork+exec

1.2.5 execvpe

看到下面，可以通过路径运行cmd.out，但是子进程的环境变量只有该路径，子进程要调用exit返回都找不到exit在哪里，所以替换失败根本原因不是路径不对，也不是理论不对，而是依赖！把进程的环境变量只改成了当前路径，一旦调用任何系统中的函数就出错，下面就是，调用make调不了；cmd.out文件用到动态库，终端等，环境变量找不到，自然出错

所以，我们在使用exce系列函数，带e的是全新定义环境变量，覆盖原有的环境变量，需要保留父进程环境变量的基础上叠加我们需要的环境变量

而在传入路径的时候可以正常运行，因为此时直接按路径找，不依赖我们设置的envp，直接忽略我们设置的envp；但有意思的是argv和envp还是传给了cmd的main函数作为参数，所以打印的环境变量还是只有当前路径

ctrl+r可以实现搜索

在调用excevpe的时候，使用系统环境变量（environ）无法执行，因为cmd.out不在系统环境变量下，追加cmd.out所在路径到系统环境变量就可以

运行成功，如下所示

那么我们在使用bash的时候，命令行的参数，包括argv甚至env都是bash创建子进程替换为要执行的可执行文件，并把命令行参数和环境变量传递给可执行程序，子进程的系统环境变量也是继承于父进程（共用页表，地址空间，写入时发生写时拷贝）

在bash改的PATH，会作为环境变量参数传递给子进程，子进程执行exec替换为myexec，接着myexec创建子进程，替换执行cmd，环境变量参数传给cmd

在环境变量追加cmd的路径

运行结果

只保留追加后的PATH

环境变量为空也能运行，怪了，cmd.out也不在当前目录下

如果execl函数不传环境变量，用的是继承于父进程的环境变量

l 指传递参数的时候进行罗列
v 指将参数作为vector进行传递
e 指是否自定义环境变量

牛刀小试

1. 通过fork和exec系统调用可以产生新进程,下列有关fork和exec系统调用说法正确的是? [多选]
   A.fork生成的进程是当前进程的一个相同副本
   B.fork系统调用与clone系统调用的工作原理基本相同
   C.exec生成的进程是当前进程的一个相同副本
   D.exec系统调用与clone系统调用的工作原理基本相同

AB
clone是Linux底层创建进程/线程，fork基于clone实现

2. 下面哪些属于，Fork后子进程保留了父进程的什么？[多选]
   A.环境变量
   B.父进程的文件锁，pending alarms和pending signals
   C.当前工作目录
   D.进程号

AC
B.信号相关信息各进程独立

3. 以下代码最终的打印结果是什么

intmain(){inta=0;a++;execl("/usr/bin/pwd","pwd",NULL);printf("%d\n",a++);exit(1);}

A.0
B.1
C.2
D.以上都不对

D

4. 以下描述正确的有：
   A.execl函数可以直接指定可执行程序文件的名称而不需要路径
   B.execle函数可以直接指定可执行程序文件的名称而不需要路径
   C.execl函数和execle函数的区别是是否自定义设置环境变量
   D.execl函数和execlp函数的区别是是否自定义设置环境变量

C

5. 以下描述正确的有：[多选]
   A.程序替换成功后，运行完新程序，依然会运行原有的代码
   B.程序替换成功后，运行完新程序，则程序直接退出
   C.程序替换成功后，原进程退出，创建新的进程运行新程序
   D.程序替换成功后，原进程没有退出，使用原进程运行新程序

BD