exec函數(shù)族
也許有不少讀者從本系列文章一推出就開始讀，一直到這里還有一個(gè)很大的疑惑：既然所有新進(jìn)程都是由fork產(chǎn)生的，而且由fork產(chǎn)生的子進(jìn)程和父進(jìn)程幾乎完全一樣，那豈不是意味著系統(tǒng)中所有的進(jìn)程都應(yīng)該一模一樣了嗎？而且，就我們的常識(shí)來說，當(dāng)我們執(zhí)行一個(gè)程序的時(shí)候，新產(chǎn)生的進(jìn)程的內(nèi)容應(yīng)就是程序的內(nèi)容才對(duì)。是我們理解錯(cuò)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(tǒng)調(diào)用。
1.10.1 簡(jiǎn)介
說是exec系統(tǒng)調(diào)用，實(shí)際上在Linux中，并不存在一個(gè)exec()的函數(shù)形式，exec指的是一組函數(shù)，一共有6個(gè)，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[]);
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其中只有execve是真正意義上的系統(tǒng)調(diào)用，其它都是在此基礎(chǔ)上經(jīng)過包裝的庫函數(shù)。
exec函數(shù)族的作用是根據(jù)指定的文件名找到可執(zhí)行文件，并用它來取代調(diào)用進(jìn)程的內(nèi)容，換句話說，就是在調(diào)用進(jìn)程內(nèi)部執(zhí)行一個(gè)可執(zhí)行文件。這里的可執(zhí)行文件既可以是二進(jìn)制文件，也可以是任何Linux下可執(zhí)行的腳本文件。
與一般情況不同，exec函數(shù)族的函數(shù)執(zhí)行成功后不會(huì)返回，因?yàn)檎{(diào)用進(jìn)程的實(shí)體，包括代碼段，數(shù)據(jù)段和堆棧等都已經(jīng)被新的內(nèi)容取代，只留下進(jìn)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(jì)"中的"金蟬脫殼"。看上去還是舊的軀殼，卻已經(jīng)注入了新的靈魂。只有調(diào)用失敗了，它們才會(huì)返回一個(gè)-1，從原程序的調(diào)用點(diǎn)接著往下執(zhí)行。
現(xiàn)在我們應(yīng)該明白了，Linux下是如何執(zhí)行新程序的，每當(dāng)有進(jìn)程認(rèn)為自己不能為系統(tǒng)和擁護(hù)做出任何貢獻(xiàn)了，他就可以發(fā)揮最后一點(diǎn)余熱，調(diào)用任何一個(gè)exec，讓自己以新的面貌重生；或者，更普遍的情況是，如果一個(gè)進(jìn)程想執(zhí)行另一個(gè)程序，它就可以fork出一個(gè)新進(jìn)程，然后調(diào)用任何一個(gè)exec，這樣看起來就好像通過執(zhí)行應(yīng)用程序而產(chǎn)生了一個(gè)新進(jìn)程一樣。
事實(shí)上第二種情況被應(yīng)用得如此普遍，以至于Linux專門為其作了優(yōu)化，我們已經(jīng)知道，fork會(huì)將調(diào)用進(jìn)程的所有內(nèi)容原封不動(dòng)的拷貝到新產(chǎn)生的子進(jìn)程中去，這些拷貝的動(dòng)作很消耗時(shí)間，而如果fork完之后我們馬上就調(diào)用exec，這些辛辛苦苦拷貝來的東西又會(huì)被立刻抹掉，這看起來非常不劃算，于是人們?cè)O(shè)計(jì)了一種"寫時(shí)拷貝（copy-on-write）"技術(shù)，使得fork結(jié)束后并不立刻復(fù)制父進(jìn)程的內(nèi)容，而是到了真正實(shí)用的時(shí)候才復(fù)制，這樣如果下一條語句是exec，它就不會(huì)白白作無用功了，也就提高了效率。
1.10.2 稍稍深入
上面6條函數(shù)看起來似乎很復(fù)雜，但實(shí)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(xué)習(xí)它們之前，先來了解一下我們習(xí)以為常的main函數(shù)。
下面這個(gè)main函數(shù)的形式可能有些出乎我們的意料：
int main(int argc, char *argv[], char *envp[])
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它可能與絕大多數(shù)教科書上描述的都不一樣，但實(shí)際上，這才是main函數(shù)真正完整的形式。
參數(shù)argc指出了運(yùn)行該程序時(shí)命令行參數(shù)的個(gè)數(shù)，數(shù)組argv存放了所有的命令行參數(shù)，數(shù)組envp存放了所有的環(huán)境變量。環(huán)境變量指的是一組值，從用戶登錄后就一直存在，很多應(yīng)用程序需要依靠它來確定系統(tǒng)的一些細(xì)節(jié)，我們最常見的環(huán)境變量是PATH，它指出了應(yīng)到哪里去搜索應(yīng)用程序，如/bin；HOME也是比較常見的環(huán)境變量，它指出了我們?cè)谙到y(tǒng)中的個(gè)人目錄。環(huán)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(shù)組和envp數(shù)組存放的都是指向字符串的指針，這兩個(gè)數(shù)組都以一個(gè)NULL元素表示數(shù)組的結(jié)尾。
我們可以通過以下這個(gè)程序來觀看傳到argc、argv和envp里的都是什么東西：
/* 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;
}
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編譯它：
運(yùn)行時(shí)，我們故意加幾個(gè)沒有任何作用的命令行參數(shù)：
$ ./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
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我們看到，程序?qū)?./main"作為第1個(gè)命令行參數(shù)，所以我們一共有3個(gè)命令行參數(shù)。這可能與大家平時(shí)習(xí)慣的說法有些不同，小心不要搞錯(cuò)了。
現(xiàn)在回過頭來看一下exec函數(shù)族，先把注意力集中在execve上：
int execve(const char *path, char *const argv[], char *const envp[]);
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對(duì)比一下main函數(shù)的完整形式，看出問題了嗎？是的，這兩個(gè)函數(shù)里的argv和envp是完全一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系。execve第1個(gè)參數(shù)path是被執(zhí)行應(yīng)用程序的完整路徑，第2個(gè)參數(shù)argv就是傳給被執(zhí)行應(yīng)用程序的命令行參數(shù)，第3個(gè)參數(shù)envp是傳給被執(zhí)行應(yīng)用程序的環(huán)境變量。
留心看一下這6個(gè)函數(shù)還可以發(fā)現(xiàn)，前3個(gè)函數(shù)都是以execl開頭的，后3個(gè)都是以execv開頭的，它們的區(qū)別在于，execv開頭的函數(shù)是以"char *argv[]"這樣的形式傳遞命令行參數(shù)，而execl開頭的函數(shù)采用了我們更容易習(xí)慣的方式，把參數(shù)一個(gè)一個(gè)列出來，然后以一個(gè)NULL表示結(jié)束。這里的NULL的作用和argv數(shù)組里的NULL作用是一樣的。
在全部6個(gè)函數(shù)中，只有execle和execve使用了char *envp[]傳遞環(huán)境變量，其它的4個(gè)函數(shù)都沒有這個(gè)參數(shù)，這并不意味著它們不傳遞環(huán)境變量，這4個(gè)函數(shù)將把默認(rèn)的環(huán)境變量不做任何修改地傳給被執(zhí)行的應(yīng)用程序。而execle和execve會(huì)用指定的環(huán)境變量去替代默認(rèn)的那些。
還有2個(gè)以p結(jié)尾的函數(shù)execlp和execvp，咋看起來，它們和execl與execv的差別很小，事實(shí)也確是如此，除execlp和execvp之外的4個(gè)函數(shù)都要求，它們的第1個(gè)參數(shù)path必須是一個(gè)完整的路徑，如"/bin/ls"；而execlp和execvp的第1個(gè)參數(shù)file可以簡(jiǎn)單到僅僅是一個(gè)文件名，如"ls"，這兩個(gè)函數(shù)可以自動(dòng)到環(huán)境變量PATH制定的目錄里去尋找。
1.10.3 實(shí)戰(zhàn)
知識(shí)介紹得差不多了，接下來我們看看實(shí)際的應(yīng)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");
}
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程序里調(diào)用了2個(gè)Linux常用的系統(tǒng)命令，echo和env。echo會(huì)把后面跟的命令行參數(shù)原封不動(dòng)的打印出來，env用來列出所有環(huán)境變量。
由于各個(gè)子進(jìn)程執(zhí)行的順序無法控制，所以有可能出現(xiàn)一個(gè)比較混亂的輸出--各子進(jìn)程打印的結(jié)果交雜在一起，而不是嚴(yán)格按照程序中列出的次序。
編譯并運(yùn)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
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果然不出所料，execle輸出的結(jié)果跑到了execlp前面。
大家在平時(shí)的編程中，如果用到了exec函數(shù)族，一定記得要加錯(cuò)誤判斷語句。因?yàn)榕c其他系統(tǒng)調(diào)用比起來，exec很容易受傷，被執(zhí)行文件的位置，權(quán)限等很多因素都能導(dǎo)致該調(diào)用的失敗。最常見的錯(cuò)誤是：
- 找不到文件或路徑，此時(shí)errno被設(shè)置為ENOENT；
- 數(shù)組argv和envp忘記用NULL結(jié)束，此時(shí)errno被設(shè)置為EFAULT；
- 沒有對(duì)要執(zhí)行文件的運(yùn)行權(quán)限，此時(shí)errno被設(shè)置為EACCES。