exec函數族的作用與講解

既然所有新進程都是由fork產生的,而且由fork產生的子進程和父進程幾乎完全一樣,那豈不是意味着系統中所有的進程都應該一模一樣了嗎?而且,就我們的常識來說,當我們執行一個程序的時候,新產生的進程的內容應就是程序的內容纔對。是我們理解錯了嗎?顯然不是,要解決這些疑惑,就必須提到我們下面要介紹的exec系統調用。

-----------------------------------------------------------------------------------簡介------------------------------------------------------------------------------------------

說是exec系統調用,實際上在Linux中,並不存在一個exec()的函數形式,exec指的是一組函數,一共有6個,分別是:

#include <unistd.h>
            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 execve(const char *path, char *const argv[], char *const envp[]);
            

其中只有execve是真正意義上的系統調用,其它都是在此基礎上經過包裝的庫函數。

exec函數族的作用是根據指定的文件名找到可執行文件,並用它來取代調用進程的內容,換句話說,就是在調用進程內部執行一個可執行文件。這裏的可執行文件既可以是二進制文件,也可以是任何Linux下可執行的腳本文件。

與一般情況不同,exec函數族的函數執行成功後不會返回,因爲調用進程的實體,包括代碼段,數據段和堆棧等都已經被新的內容取代,只留下進程ID等一些表面上的信息仍保持原樣,頗有些神似"三十六計"中的"金蟬脫殼"。看上去還是舊的軀殼,卻已經注入了新的靈魂。只有調用失敗了,它們纔會返回一個-1,從原程序的調用點接着往下執行。

現在我們應該明白了,Linux下是如何執行新程序的,每當有進程認爲自己不能爲系統和擁護做出任何貢獻了,他就可以發揮最後一點餘熱,調用任何一個exec,讓自己以新的面貌重生;或者,更普遍的情況是,如果一個進程想執行另一個程序,它就可以fork出一個新進程,然後調用任何一個exec,這樣看起來就好像通過執行應用程序而產生了一個新進程一樣。

事實上第二種情況被應用得如此普遍,以至於Linux專門爲其作了優化,我們已經知道,fork會將調用進程的所有內容原封不動的拷貝到新產生的子進程中去,這些拷貝的動作很消耗時間,而如果fork完之後我們馬上就調用exec,這些辛辛苦苦拷貝來的東西又會被立刻抹掉,這看起來非常不划算,於是人們設計了一種"寫時拷貝(copy-on-write)"技術,使得fork結束後並不立刻複製父進程的內容,而是到了真正實用的時候才複製,這樣如果下一條語句是exec,它就不會白白作無用功了,也就提高了效率。

----------------------------------------------------------------------------------稍稍深入----------------------------------------------------------------------------------

上面6條函數看起來似乎很複雜,但實際上無論是作用還是用法都非常相似,只有很微小的差別。在學習它們之前,先來了解一下我們習以爲常的main函數。

下面這個main函數的形式可能有些出乎我們的意料:

int main(int argc, char *argv[], char *envp[])
            

它可能與絕大多數教科書上描述的都不一樣,但實際上,這纔是main函數真正完整的形式。

參數argc指出了運行該程序時命令行參數的個數,數組argv存放了所有的命令行參數,數組envp存放了所有的環境變量。環境變量指的是一組值,從用戶登錄後就一直存在,很多應用程序需要依靠它來確定系統的一些細節,我們最常見的環境變量是PATH,它指出了應到哪裏去搜索應用程序,如/bin;HOME也是比較常見的環境變量,它指出了我們在系統中的個人目錄。環境變量一般以字符串"XXX=xxx"的形式存在,XXX表示變量名,xxx表示變量的值。

值得一提的是,argv數組和envp數組存放的都是指向字符串的指針,這兩個數組都以一個NULL元素表示數組的結尾。

我們可以通過以下這個程序來觀看傳到argc、argv和envp裏的都是什麼東西:

/* main.c */
            int main(int argc, char *argv[], char *envp[])
            {
            printf("\n### ARGC ###\n%d\n", argc);
            printf("\n### ARGV ###\n");
            while(*argv)
            printf("%s\n", *(argv++));
            printf("\n### ENVP ###\n");
            while(*envp)
            printf("%s\n", *(envp++));
            return 0;
            }

編譯它:

$ cc main.c -o main
            

運行時,我們故意加幾個沒有任何作用的命令行參數:

$ ./main -xx 000
            ### ARGC ###
            3
            ### ARGV ###
            ./main
            -xx
            000
            ### ENVP ###
            PWD=/home/lei
            REMOTEHOST=dt.laser.com
            HOSTNAME=localhost.localdomain
            QTDIR=/usr/lib/qt-2.3.1
            LESSOPEN=|/usr/bin/lesspipe.sh %s
            KDEDIR=/usr
            USER=lei
            LS_COLORS=
            MACHTYPE=i386-redhat-linux-gnu
            MAIL=/var/spool/mail/lei
            INPUTRC=/etc/inputrc
            LANG=en_US
            LOGNAME=lei
            SHLVL=1
            SHELL=/bin/bash
            HOSTTYPE=i386
            OSTYPE=linux-gnu
            HISTSIZE=1000
            TERM=ansi
            HOME=/home/lei
            PATH=/usr/local/bin:/bin:/usr/bin:/usr/X11R6/bin:/home/lei/bin
            _=./main
            

我們看到,程序將"./main"作爲第1個命令行參數,所以我們一共有3個命令行參數。這可能與大家平時習慣的說法有些不同,小心不要搞錯了。

現在回過頭來看一下exec函數族,先把注意力集中在execve上:

int execve(const char *path, char *const argv[], char *const envp[]);
            

對比一下main函數的完整形式,看出問題了嗎?是的,這兩個函數裏的argv和envp是完全一一對應的關係。execve第1個參數path是被執行應用程序的完整路徑,第2個參數argv就是傳給被執行應用程序的命令行參數,第3個參數envp是傳給被執行應用程序的環境變量。

留心看一下這6個函數還可以發現,前3個函數都是以execl開頭的,後3個都是以execv開頭的,它們的區別在於,execv開頭的函數是以"char *argv[]"這樣的形式傳遞命令行參數,而execl開頭的函數採用了我們更容易習慣的方式,把參數一個一個列出來,然後以一個NULL表示結束。這裏的NULL的作用和argv數組裏的NULL作用是一樣的。

在全部6個函數中,只有execle和execve使用了char *envp[]傳遞環境變量,其它的4個函數都沒有這個參數,這並不意味着它們不傳遞環境變量,這4個函數將把默認的環境變量不做任何修改地傳給被執行的應用程序。而execle和execve會用指定的環境變量去替代默認的那些。

還有2個以p結尾的函數execlp和execvp,咋看起來,它們和execl與execv的差別很小,事實也確是如此,除execlp和execvp之外的4個函數都要求,它們的第1個參數path必須是一個完整的路徑,如"/bin/ls";而execlp和execvp的第1個參數file可以簡單到僅僅是一個文件名,如"ls",這兩個函數可以自動到環境變量PATH制定的目錄裏去尋找。

---------------------------------------------------------------------------------實戰---------------------------------------------------------------------------------------

/* exec.c */
            #include <unistd.h>
            main()
            {
            char *envp[]={"PATH=/tmp",
            "USER=lei",
            "STATUS=testing",
            NULL};
            char *argv_execv[]={"echo", "excuted by execv", NULL};
            char *argv_execvp[]={"echo", "executed by execvp", NULL};
            char *argv_execve[]={"env", NULL};
            if(fork()==0)
            if(execl("/bin/echo", "echo", "executed by execl", NULL)<0)
            perror("Err on execl");
            if(fork()==0)
            if(execlp("echo", "echo", "executed by execlp", NULL)<0)
            perror("Err on execlp");
            if(fork()==0)
            if(execle("/usr/bin/env", "env", NULL, envp)<0)
            perror("Err on execle");
            if(fork()==0)
            if(execv("/bin/echo", argv_execv)<0)
            perror("Err on execv");
            if(fork()==0)
            if(execvp("echo", argv_execvp)<0)
            perror("Err on execvp");
            if(fork()==0)
            if(execve("/usr/bin/env", argv_execve, envp)<0)
            perror("Err on execve");
            }

程序裏調用了2個Linux常用的系統命令,echo和env。echo會把後面跟的命令行參數原封不動的打印出來,env用來列出所有環境變量。

由於各個子進程執行的順序無法控制,所以有可能出現一個比較混亂的輸出--各子進程打印的結果交雜在一起,而不是嚴格按照程序中列出的次序。

編譯並運行:

$ cc exec.c -o exec
            $ ./exec
            executed by execl
            PATH=/tmp
            USER=lei
            STATUS=testing
            executed by execlp
            excuted by execv
            executed by execvp
            PATH=/tmp
            USER=lei
            STATUS=testing
            

果然不出所料,execle輸出的結果跑到了execlp前面。

大家在平時的編程中,如果用到了exec函數族,一定記得要加錯誤判斷語句。因爲與其他系統調用比起來,exec很容易受傷,被執行文件的位置,權限等很多因素都能導致該調用的失敗。最常見的錯誤是:

  1. 找不到文件或路徑,此時errno被設置爲ENOENT;
  2. 數組argv和envp忘記用NULL結束,此時errno被設置爲EFAULT;
  3. 沒有對要執行文件的運行權限,此時errno被設置爲EACCES。


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