exec函数簇

Posted 2020-07-09 再见~雨泉

转自：http://www.cppblog.com/prayer/archive/2009/04/15/80077.html

也许有不少读者从本系列文章一推出就开始读，一直到这里还有一个很大的疑惑：既然所有新进程都是由fork产生的，而且由fork产生的子进程和父进程几乎完全一样，那岂不是意味着系统中所有的进程都应该一模一样了吗？而且，就我们的常识来说，当我们执行一个程序的时候，新产生的进程的内容应就是程序的内容才对。是我们理解错了吗？显然不是，要解决这些疑惑，就必须提到我们下面要介绍的exec系统调用。

1.10.1 简介

说是exec系统调用，实际上在Linux中，并不存在一个exec()的函数形式，exec指的是一组函数，一共有6个，分别是：

#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是真正意义上的系统调用，其它都是在此基础上经过包装的库函数。

exec函数族的作用是根据指定的文件名找到可执行文件，并用它来取代调用进程的内容，换句话说，就是在调用进程内部执行一个可执行文件。这里的可执行文件既可以是二进制文件，也可以是任何Linux下可执行的脚本文件。

与一般情况不同，exec函数族的函数执行成功后不会返回，因为调用进程的实体，包括代码段，数据段和堆栈等都已经被新的内容取代，只留下进程ID等一些表面上的信息仍保持原样，颇有些神似"三十六计"中的"金蝉脱壳"。看上去还是旧的躯壳，却已经注入了新的灵魂。只有调用失败了，它们才会返回一个-1，从原程序的调用点接着往下执行。

现在我们应该明白了，Linux下是如何执行新程序的，每当有进程认为自己不能为系统和拥护做出任何贡献了，他就可以发挥最后一点余热，调用任何一个exec，让自己以新的面貌重生；或者，更普遍的情况是，如果一个进程想执行另一个程序，它就可以fork出一个新进程，然后调用任何一个exec，这样看起来就好像通过执行应用程序而产生了一个新进程一样。

事实上第二种情况被应用得如此普遍，以至于Linux专门为其作了优化，我们已经知道，fork会将调用进程的所有内容原封不动的拷贝到新产生的子进程中去，这些拷贝的动作很消耗时间，而如果fork完之后我们马上就调用exec，这些辛辛苦苦拷贝来的东西又会被立刻抹掉，这看起来非常不划算，于是人们设计了一种"写时拷贝（copy-on-write）"技术，使得fork结束后并不立刻复制父进程的内容，而是到了真正实用的时候才复制，这样如果下一条语句是exec，它就不会白白作无用功了，也就提高了效率。

1.10.2 稍稍深入

上面6条函数看起来似乎很复杂，但实际上无论是作用还是用法都非常相似，只有很微小的差别。在学习它们之前，先来了解一下我们习以为常的main函数。

下面这个main函数的形式可能有些出乎我们的意料：

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

 

它可能与绝大多数教科书上描述的都不一样，但实际上，这才是main函数真正完整的形式。

参数argc指出了运行该程序时命令行参数的个数，数组argv存放了所有的命令行参数，数组envp存放了所有的环境变量。环境变量指的是一组值，从用户登录后就一直存在，很多应用程序需要依靠它来确定系统的一些细节，我们最常见的环境变量是PATH，它指出了应到哪里去搜索应用程序，如/bin；HOME也是比较常见的环境变量，它指出了我们在系统中的个人目录。环境变量一般以字符串"XXX=xxx"的形式存在，XXX表示变量名，xxx表示变量的值。

值得一提的是，argv数组和envp数组存放的都是指向字符串的指针，这两个数组都以一个NULL元素表示数组的结尾。

我们可以通过以下这个程序来观看传到argc、argv和envp里的都是什么东西：

/* 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; }

 

编译它：

$ cc main.c -o main

 

运行时，我们故意加几个没有任何作用的命令行参数：

$ ./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

 

我们看到，程序将"./main"作为第1个命令行参数，所以我们一共有3个命令行参数。这可能与大家平时习惯的说法有些不同，小心不要搞错了。

现在回过头来看一下exec函数族，先把注意力集中在execve上：

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

 

对比一下main函数的完整形式，看出问题了吗？是的，这两个函数里的argv和envp是完全一一对应的关系。execve第1个参数path是被执行应用程序的完整路径，第2个参数argv就是传给被执行应用程序的命令行参数，第3个参数envp是传给被执行应用程序的环境变量。

留心看一下这6个函数还可以发现，前3个函数都是以execl开头的，后3个都是以execv开头的，它们的区别在于，execv开头的函数是以"char *argv[]"这样的形式传递命令行参数，而execl开头的函数采用了我们更容易习惯的方式，把参数一个一个列出来，然后以一个NULL表示结束。这里的NULL的作用和argv数组里的NULL作用是一样的。

在全部6个函数中，只有execle和execve使用了char *envp[]传递环境变量，其它的4个函数都没有这个参数，这并不意味着它们不传递环境变量，这4个函数将把默认的环境变量不做任何修改地传给被执行的应用程序。而execle和execve会用指定的环境变量去替代默认的那些。

还有2个以p结尾的函数execlp和execvp，咋看起来，它们和execl与execv的差别很小，事实也确是如此，除execlp和execvp之外的4个函数都要求，它们的第1个参数path必须是一个完整的路径，如"/bin/ls"；而execlp和execvp的第1个参数file可以简单到仅仅是一个文件名，如"ls"，这两个函数可以自动到环境变量PATH制定的目录里去寻找。

1.10.3 实战

知识介绍得差不多了，接下来我们看看实际的应用：

/* 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"); }

 

程序里调用了2个Linux常用的系统命令，echo和env。echo会把后面跟的命令行参数原封不动的打印出来，env用来列出所有环境变量。

由于各个子进程执行的顺序无法控制，所以有可能出现一个比较混乱的输出--各子进程打印的结果交杂在一起，而不是严格按照程序中列出的次序。

编译并运行：

$ 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输出的结果跑到了execlp前面。

大家在平时的编程中，如果用到了exec函数族，一定记得要加错误判断语句。因为与其他系统调用比起来，exec很容易受伤，被执行文件的位置，权限等很多因素都能导致该调用的失败。最常见的错误是：

1. 找不到文件或路径，此时errno被设置为ENOENT；
2. 数组argv和envp忘记用NULL结束，此时errno被设置为EFAULT；
3. 没有对要执行文件的运行权限，此时errno被设置为EACCES。