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【Linux系统编程】—— 进程替换及其在操作系统中的应用与实现

news 来源：原创 2025/6/7 4:44:35

文章目录

什么是进程替换？
进程替换当中的接口
单进程替换
多进程的替换
详解exec接口
- execl
- execlp
- execv

前言：本篇博客将深入探讨进程替换的概念及其在操作系统中的作用。我们将介绍进程替换的基本原理，探讨操作系统如何通过进程的切换来实现任务管理，并分析进程替换对系统性能的影响。此外，博客还将结合实际的操作系统调度算法，分析不同进程替换策略的优劣，以及如何在复杂的环境中做出最优的替换决策。

什么是进程替换？

一张图片先了解大概其原理：
单进程替换
在这里插入图片描述
这张图描述了操作系统在进程替换过程中如何通过 PCB 保存进程的状态、如何管理进程的内存（如代码段、数据段和页表）、以及如何将这些信息存储到磁盘中，并在需要时进行恢复。通过这个过程，操作系统能够实现多任务处理，并确保每个进程在切换后能够从正确的地方继续执行。
多进程替换

即根据父进程创建出子进程（拷贝父进程）
在这里插入图片描述
然后程序替换子进程

进程替换当中的接口

在这里插入图片描述
使用man手册之后可以看到其详细的内容：

上面这些函数接口（由语言封装）把一个文件（可执行程序）替换程当前进程。他们的作用都是进行进程替换而准备的，接口的详细说明下文见。

单进程替换

单进程其替换的过程示例：

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>// 模拟进程的状态
typedef enum {RUNNING,WAITING,COMPLETED
} ProcessState;// 进程结构体
typedef struct {ProcessState state;  // 当前进程的状态ProcessState saved_state;  // 保存的进程状态
} Process;// 模拟进程运行
void run_process(Process* process) {printf("进程开始运行...\n");sleep(1);  // 模拟一些处理（例如计算）// 模拟 I/O 等待io_wait(process);
}// 模拟 I/O 等待过程
void io_wait(Process* process) {printf("进程进入 I/O 等待...\n");save_state(process);  // 保存当前进程的状态// 模拟 I/O 操作，例如磁盘读取，等待 3 秒sleep(3);printf("磁盘读取完成，恢复进程...\n");restore_state(process);  // 恢复进程的状态// 继续执行finalize_process(process);
}// 保存进程状态
void save_state(Process* process) {printf("保存进程状态...\n");process->saved_state = process->state;  // 保存当前进程的状态process->state = WAITING;  // 将当前进程设置为等待状态
}// 恢复进程状态
void restore_state(Process* process) {printf("恢复进程状态...\n");process->state = process->saved_state;  // 恢复到之前的状态process->saved_state = RUNNING;  // 清空保存的状态
}// 结束进程
void finalize_process(Process* process) {printf("进程继续执行并结束。\n");process->state = COMPLETED;  // 进程执行完毕，设置为完成状态
}int main() {// 创建并初始化进程Process process = {RUNNING, RUNNING};// 执行进程run_process(&process);return 0;
}

进程开始运行...
进程进入 I/O 等待...
保存进程状态...
磁盘读取完成，恢复进程...
恢复进程状态...
进程继续执行并结束。

这个 C 语言程序模拟了一个单进程环境中的“进程替换”过程。尽管系统只有一个进程，但通过保存和恢复状态，我们可以模拟进程被暂停（例如等待 I/O 完成）并恢复执行的过程。虽然这种机制在实际多进程环境中更为常见，但在单进程系统中，操作系统仍然会通过这种方式管理进程的执行。

多进程的替换

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/wait.h>
#include <string.h>// 模拟进程的状态
typedef enum {RUNNING,WAITING,COMPLETED
} ProcessState;// 进程结构体
typedef struct {ProcessState state;  // 当前进程的状态ProcessState saved_state;  // 保存的进程状态
} Process;// 模拟进程运行
void run_process(Process* process) {printf("进程开始运行...\n");sleep(1);  // 模拟一些处理（例如计算）// 模拟 I/O 等待io_wait(process);
}// 模拟 I/O 等待过程
void io_wait(Process* process) {printf("进程进入 I/O 等待...\n");save_state(process);  // 保存当前进程的状态// 模拟 I/O 操作，例如磁盘读取，等待 3 秒sleep(3);printf("磁盘读取完成，恢复进程...\n");restore_state(process);  // 恢复进程的状态// 继续执行finalize_process(process);
}// 保存进程状态
void save_state(Process* process) {printf("保存进程状态...\n");process->saved_state = process->state;  // 保存当前进程的状态process->state = WAITING;  // 将当前进程设置为等待状态
}// 恢复进程状态
void restore_state(Process* process) {printf("恢复进程状态...\n");process->state = process->saved_state;  // 恢复到之前的状态process->saved_state = RUNNING;  // 清空保存的状态
}// 结束进程
void finalize_process(Process* process) {printf("进程继续执行并结束。\n");process->state = COMPLETED;  // 进程执行完毕，设置为完成状态
}int main() {pid_t pid;Process process = {RUNNING, RUNNING};// 创建一个子进程pid = fork();if (pid == -1) {// 创建进程失败perror("fork失败");exit(1);}else if (pid == 0) {// 子进程部分printf("子进程开始运行...\n");run_process(&process);  // 运行进程exit(0);  // 子进程结束}else {// 父进程部分wait(NULL);  // 等待子进程结束printf("父进程继续运行...\n");run_process(&process);  // 父进程继续运行// 等待所有子进程结束wait(NULL);}return 0;
}

子进程开始运行...
进程开始运行...
进程进入 I/O 等待...
保存进程状态...
磁盘读取完成，恢复进程...
恢复进程状态...
进程继续执行并结束。
父进程继续运行...
进程开始运行...
进程进入 I/O 等待...
保存进程状态...
磁盘读取完成，恢复进程...
恢复进程状态...
进程继续执行并结束。

详解exec接口

在这里插入图片描述
再看这些接口

execl

下面这个图片作为示例：
在这里插入图片描述
在执行一个程序时，第一件事确实是要找到这个程序。因此，execl 函数的第一个参数就是该程序的路径，通常是一个绝对路径（当然，相对路径也可以，但是在某些情况下执行命令时可能会受到路径的限制）。当操作系统定位到这个程序后，它需要确定以什么方式执行该程序以及传递哪些参数。因此，execl 中的第二个及后续参数就是传递给程序的选项或参数。

这些参数的形式类似于一个链表，每个选项或参数都通过一个指针传递，而链表的结尾通过一个特殊的 NULL 值来标识，以此来区分链表的末尾。这是因为，execl 必须知道何时停止读取选项，从而确保不会读取到无效或不必要的内容。因此，最后一个选项或参数必须显式设置为 NULL，这是标准的约定。

execlp

execlp 函数与 execl 函数非常相似，但有一个重要的不同点：它会在指定路径的基础上搜索系统的 PATH 环境变量。这意味着，execlp 允许我们只提供程序的名称（不需要完整的路径），操作系统会自动在 PATH 中查找该程序。

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>int main() {// 使用 execlp 执行程序 lsexeclp("ls", "ls", "-l", "/home", NULL);// 如果 execlp 执行失败，则打印错误信息perror("execlp failed");return 0;
}

解释：

第一个参数 (“ls”)：程序的名称。execlp 会在系统的 PATH 环境变量中搜索该程序，并执行找到的程序。
后续参数 (“ls”, “-l”, “/home”, NULL)：这些是传递给 ls 程序的选项。第一个 “ls” 参数是程序名，后续的 “-l” 和 “/home” 是选项或参数，告诉 ls 以长列表的格式显示 /home 目录下的内容。最后一个 NULL 用于标识参数链表的结束。

在执行一个程序时，第一步仍然是要找到这个程序。对于 execlp，与 execl 的不同之处在于，execlp 并不需要我们指定程序的绝对路径（虽然可以提供），而是只需要提供程序的名称。操作系统会根据系统的 PATH 环境变量，自动搜索并找到该程序。

因此，execlp 函数的第一个参数是要执行的程序名称（或者路径），操作系统会在 PATH 环境变量中依次查找该程序。如果提供的是相对路径或者只提供文件名，操作系统会按照 PATH 中定义的搜索路径进行查找。

execv

在执行一个程序时，第一步仍然是要找到这个程序。与 execlv 相似，execv 需要我们提供程序的路径和参数数组。execv 的第一个参数是要执行的程序的完整路径或相对路径，后续参数是传递给程序的选项和参数，这些选项和参数通过一个数组来传递。数组的最后一个元素必须是 NULL，用来标识参数的结束。

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>int main() {// 创建一个参数数组char *args[] = {"ls", "-l", "/home", NULL};// 使用 execv 执行程序 /bin/lsexecv("/bin/ls", args);// 如果 execv 执行失败，则打印错误信息perror("execv failed");return 0;
}

解释：

第一个参数 (“/bin/ls”)：这是程序的完整路径。execv 不会在 PATH 环境变量中查找程序，因此必须提供程序的绝对路径或相对路径。在这个例子中，路径是 /bin/ls，表示我们要执行 ls 命令。
第二个参数 (args)：这是一个包含程序名和所有传递给程序的参数的数组。这个数组中的第一个元素通常是程序的名称（这里是 “ls”），后面的元素是传递给该程序的参数，最后一个元素必须是 NULL，以标识数组的结束。