Linux程序替换

前言

上一期对进程的创建、终止、以及等待做了详细的介绍，对于进程控制的内容基本介绍的差不多了，本期来介绍进程控制的最后一个内容即进程的程序替换！

本期内容介绍

• 什么是进程的程序替换

• 单进程的程序替换

• 程序替换的基本原理

• 多进程的程序替换

• exec系列函数的参数含义

• exec系列函数的使用

● 什么是进程的程序替换？

以前我们所有创建的子进程执行的代码，都是父进程代码的一部分；现在，我们想要让子进程执行全新的任务，即执行全新的程序（全新的代码和数据），该如何实现呢？其实这就是我们要介绍的进程的程序替换！

程序替换是指让一个已经存在的进程加载并执行一个全新的程序,同时替换掉原来进程加载的代码和数据的技术！

注意：

1、程序替换会保留原来进程的PCB等内核数据结构

2、新加载的代码和数据会与原来的内核数据结构重新构成映射关系

● 单进程程序替换

程序替换其实上是学习一些接口,这些接口就是exec*系列的程序替换函数！由于我们还没有对程序替换的函数介绍，我们这里用一个最简单的先来看看现象：

我们发现，当前进程果然执行了ls指令（本质就是2进制的程序）！OK，也就是成功的进行了程序替换，但是有一个细节就是：为什么execl后面的代码不见了？要解释这个问题我们就得先介绍一下程序替换的基本原理！

● 程序替换的基本原理

使用exec*系列程序替换函数会将要替换的程序的代码和数据，加载到内存直接替换掉原来进程地址空间中的的代码和数据，然后新的代码和数据与原来进程的PCB等内核数据节后重新建立映射关系！注意：调用exec*系列函数并不会创建新的进程！

介绍到这里我们就可以回答上面栗子的问题了：为什么exec*后的代码不见了？原因是，exec*函数已经替换了原来进程的代码和数据，该进程原来的exec*后面的代码被覆盖了所以就无法被执行了！

• 扩展：站在替换程序的角度讲，就是该程序被OS加载到内存了！其实我们平时的进程加载本质都是OS内核去调用exec*的系统调用了！exec*类似于Linux的加载器函数！

● 多进程程序替换

上面是单进程直接执行程序的替换，但是我们的想法性不是这样的，我们想要的是让父子进程执行不一样程序；即让子进程执行新的代码和数据！所以我们下面来让子进程替换：

这里我们发现程序替换前后的进程的pid都是一样的，这也验证了前面的exec*系列函数替换不会创建新的进程！

介绍到这里就有出现了一个新的问题：

• 问题

当前进程怎么知道要从替换的新程序的最开始执行？最开始的地方在哪里？

首先，在我们编译形成可执行程序的时候，它的代码和数据不是杂乱无章的随便放的，而是有自己的存放规则即有自己的存放格式！Linux中可执行程序是以EFL格式的文件存放的，该文件中有一个表头的字段entry，这个字段就是存放的可执行程序的入口地址！所以我们在调用exec*后会直接获取该程序的头部信息entry！而我们每一个进程中，都有一个程序计数器eip（当前执行指令的下一条指令），本质就是寄存器！eip寄存器的内容每个进程都会私有一份，当进程切换时把自己的eip属性给eip寄存器，该进程就会知道从哪一行开始执行了。当程序替换的时候，子进程获取entry，将这个字段的地址填入到eip中，当前进程就知道新程序的入口了！

OK，本来我们是接着演示用我们当前的进程调用其他语言的程序，但是由于我们当前由于还没有系统的介绍exec*系列的函数，所以我们无法将替换ls指令变成替换其他的程序，例如C++等！我们下面来系统的介绍一下exec*系列的函数，然后再来做当前进程替换其他程序的演示！

● exec系列函数的参数含义

exec*系列的函数一共是有7个，其中一个是系统调用，其他六个是库函数！

系统调用

库函数

其实下面的这六个库函数的底层都是去调用execve这个系统调用的

上面的六个库函数主要分为两类：l类型和v类型；两个类型又都包含带p不带p和带e不带e；OK，要搞清楚他们是什么意思，就要先介绍exec*系列的参数了！

第一个参数是指要替换程序的路径（path）或替换的程序名（file）

第二个参数是指如何执行新程序（arg）

带e的有第三个参数（envp）是指环境变量！

l（list）是指第二个参数是连续的参数列表的形式

v（vector）是指第二个参数是数组的形式

p（path）是指有自动搜索的环境变量PATH

e（env）表示自己维护环境变量

上面的exec*函数的参数主要解决以下问题：

• 如何找到新替换的程序（第一个参数）？

如果不带p，此时第一个参数path表示替换程序的路径；如果带p说明该替换的程序有全局的环境变量PATH此时第一个参数表示替换程序的名称！

• 如何执行新替换的程序（第二个参数）？

如果带l表示执行方式采用参数列表，可以将替换的程序的执行以可变参数的形式传进去（命令行怎么执行，这里怎么传）最后以NULL结尾！如果不带l带的是v，说明将替换程序的执行以数组（指针数组）的形式传过去，最后以NULL结尾！其实这个参数会传递以明命令行参数的形式传递给新替换的程序！

• 是否维护自己的环境变量（第三个参数）？

如果exec*函数带了e且需要维护自己的环境变量，就需要第三个参数envp了，这个参数也是一个字符串指针数组，替换之后envp这个参数会完全替换掉原来的环境变量！

• 新替换的程序（带p）是如何知道自己的替换程序的位置的呢？

在程序地址空间那里介绍过，在程序的地址空间中有一部分存的就是命令行参数和环境变量：

而每个进程在创建的时候都会继承父进程的虚拟地址空间的内容（拷贝一份），如果当前进程替换了新的代码和数据，但是当前进程的PCB等内核数据结构没有变所以依然有PATH等环境变量（在替换过程中，环境变量不会替换）！所以就可以找到，不带p的其实也是继承了PATH等内容，但是它的接口应该是特殊设计过的所以得必须带路径！其实，不带p的exec*也可以和带p的一样指定绝对会相对路径！

• exec*的返回值

你肯定注意到了exec*系列的函数是有返回值的，它的返回值是啥意思呢？

exec*系列函数如果调用成功了，从执行位置开始执行不在返回！如果调用出错了，返回-1，继续执行替换以前exec*以后的代码！所以exec*只有失败的时候才返回，成功不会返回！

所以，我们不用关心exec*的返回值，如果失败了就不会替换且继续执行原来进程的exec*后面的代码！