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exec函数族

Posted on 2009-09-18 11:20 Prayer 阅读(417) 评论(0)  编辑 收藏 引用 所属分类: LINUX/UNIX/AIX
exec函数族

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。

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