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exec系列函数详细介绍：【Linux】exec系列函数详细介绍-CSDN博客
进程程序替换（Process Replacement）是指在操作系统中，一个进程可以用另一个程序来替换其当前正在执行的程序。这一操作通常发生在进程执行 exec 系列函数时，如 execl, execv, execle, execlp, execvp 等。当一个进程调用 exec 函数时，它将用新的程序替换掉当前进程的正文段，但不改变进程的标识符（PID）和其他资源（如打开的文件描述符）。
一、进程程序替换的过程与原理
- 调用
exec系列函数：- 进程调用
exec函数，该函数会用新的程序替换当前进程的程序映像。这意味着当前进程的代码段、数据段、堆和栈都会被新的程序占用的空间所替换。原有的程序指令和数据不再存在于进程的地址空间内。
- 进程调用
- 替换正文段：
- 操作系统加载新程序的正文段，并准备执行新程序的入口点。
- 保持资源不变：
- 进程的标识符（PID）保持不变。
- 进程的用户标识符（UID）和组标识符（GID）保持不变。
- 打开的文件描述符（如标准输入、输出和错误）保持不变。
- 进程的工作目录（cwd）和环境变量（environ）等属性保持不变。
- 执行新程序：
- 新程序开始执行，从其
main函数开始运行。
- 新程序开始执行，从其
二、进程程序替换 图解说明
下面是一个简单的"文字"图解来说明进程程序替换的过程：
--------------------------------------
|
| 原始进程 A
|
| PID: 1234
| 程序: /bin/echo
| 参数: "Hello World"
|
| 文件描述符:
| stdin, stdout, stderr
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| 工作目录: /home/user
| 环境变量表: environ[]
|
-------------------------------------exec("/bin/cat") : 进程 A 调用 exec("/bin/cat") 函数，请求用新程序/bin/cat 替换当前进程正文段
--------------------------------------
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| 替换后的新进程 B
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| PID: 1234 (保持不变)
| 程序: /bin/cat
|
| 文件描述符:
| stdin, stdout, stderr (保持不变)
|
| 工作目录: /home/user (保持不变)
| 环境变量表: environ[] (保持不变)
|
--------------------------------------该程序将从 新程序 /bin/cat 的 main 函数开始运行开始执行
三、示例代码
下面的 C 语言程序，展示如何使用 exec 函数替换新程序进来：
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>
#include <stdio.h>
#include <errno.h>
int main() {// 使用 execlp 调用 /bin/echoexeclp("/bin/echo", "echo", "Hello", "World", (char *)NULL);// 如果执行到这里，说明 execlp 调用失败if (errno == ENOENT) {fprintf(stderr, "Executable not found.\n");} else {perror("Error executing command");}return EXIT_FAILURE;
}
在这个示例中，当前进程使用 execlp 函数，通过路径 /bin/echo ，找到对应可执行文件 /bin/echo ，替换原进程的正文段，并传递参数 "Hello" 和 "World" 给 echo 命令。
新程序会将原进程中的正文段的程序全部替换，因此如果 execlp 调用成功，上面的 C 语言程序中的 if/else 肯定不会执行；否则 如果 execlp 调用失败，程序将执行 if/else 输出错误信息。
四、小结
进程程序替换是操作系统中的一项重要功能，它允许进程动态地用另一个程序替换当前正在执行的程序，同时保留重要的资源和属性。这一机制广泛应用于 shell 脚本、守护进程和其他需要动态执行不同程序的场景。
五、✨进程程序替换的应用：命令行解释器 shell 的运行原理✨
1、命令行解释器 shell 会创建子进程执行命令
这是最常见的做法，尤其是在命令行解释器如Bash中。
（还有一种不常见的做法：直接替换shell本身，这里暂不解释）
具体步骤如下：
- 读取输入：命令行解释器
shell读取用户输入的命令。（在你的Linux终端上输入命令被获取） - 解析命令：解释器解析命令，提取命令名和参数。
- 创建子进程：使用
fork()系统调用来创建一个子进程。 - 子进程执行命令：子进程调用
exec系列函数（如execve）来执行命令。 - 父进程等待子进程结束：父进程通过
wait或waitpid等待子进程的完成，并收集其退出状态。 - 返回提示符：命令执行完毕后，命令行解释器返回提示符，等待下一个命令。
看完运行步骤你是不是明白了程序替换 exec 函数的巨大用途，我们平时在Linux系统的命令行窗口或图形化界面，输入的命令或启动的应用程序，其实基本都是 shell 这个父进程创建一个子进程通过 exec 程序替换来执行用户输入的命令。
在Linux系统中，大多数程序都是通过fork()创建子进程，然后在子进程中使用exec()系列函数来执行新程序的！！
2、fork + exec 的程序运行模式的优点：
-
资源隔离：子进程与父进程共享相同的资源（如文件描述符），但也有自己的独立资源（如内存空间），这有助于隔离和保护父进程不受子进程的影响。
-
保持解释器运行：父进程可以继续运行，等待下一个命令，而子进程则专门用来执行当前命令，保证命令行解释器的持续运行。
-
错误隔离：如果子进程出现错误或异常，只会影响子进程本身，而不会影响到父进程
（用于执行某可执行程序的子进程因为该可执行程序有问题，就不会影响到父进程（即命令行解释器shell））。
-
并发执行：使用子进程可以更容易地支持并发执行多个命令。
3、命令行解释器 shell 是如何实现在一个shell进程中不断 fork + exec 来执行多条程序？
实际上，命令行解释器（如Shell）通常通过一个无限循环来不断读取用户输入的命令，并通过fork()和exec()来执行这些命令。
这是一段命令行解释器的工作步骤，本身就是通过死循环实现不断读取命令+运行的
int main()
{while(1){// 1、形成并打印命令行提示符// 2、获取用户输入命令// 3、解析用户输入命令// 4、执行用户输入命令}
}
如果你理解了上面的程序替换，理解了命令行解释器工作原理，就大概可以自己实现一个简易的 shell，这是我实现的，感兴趣可以看一下：【Linux】自制简易shell的实现日志-CSDN博客
4、命令行解释器 运行图解（清晰明了）
用下图的时间轴来表示事件的发生次序。其中时间从左向右。命令行解释器 `shell ` 由标识为 `bash ` 的方块代表，它随着时间的流逝从左向右移动。shell从用户读入字符串"ls"。`shell` `fork` 建立一个新的进程，在那个进程中运行 `ls` 程序并等待那个进程结束。 接着 `shell` 读取新的一行输入，建立一个新的进程，运行并等待新进程 `ps`
就这样循环往复的进行，命令获取–>命令解释–>fork+exec 创建替换并运行子进程–>等待子进程退出
【证明】程序替换不会创建新进程
进程替换不等于创建新进程，进程 = 该进程的PCB+代码数据
使用exec系列函数时，当前进程的内容（代码段和数据段）被新程序的内容替换，但进程标识符（PID）和大部分资源（如打开的文件描述符、环境变量等）保持不变。
这些操作本质上不创建新的PCB，复用当前进程的PCB
（一个进程只有代码数据改变，PCB大体不变，则不构成新的进程）
我们以一个例子证明
使用另一个程序 test.c 替换 code.c 程序，两者代码中的 printf 都会打印的 pid ，最终结果：两条 printf 打印的 pid 一样
这证明了程序替换没有创建新进程 （每个进程有其唯一的 pid，pid 不变表示进程不变）
运行结果
【证明】自己 exec 替换自己会死循环（死递归？🤣）
#include<stdio.h>
#include<unistd.h>int main(int argc, char* argv[]){printf("我是code.exe程序, pid: %d\n", getpid());execl("./code", "code", NULL); // 指定路径: ./code return 0;
}
