Linux系統程式設計（9）—— 程式之程式控制函式exec系列函式

在Linux中，並不存在exec()函式，exec指的是一組函式，一共有6個，分別是：

#include <unistd.h>
extern char **environ;
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 *constargv[]);
int execvp(const char *file, char *constargv[]);
int execve(const char *path, char *constargv[], char *const envp[]);

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

exec函式族的作用是根據指定的檔名找到可執行檔案，並用它來取代呼叫程式的內容，換句話說，就是在呼叫程式內部執行一個可執行檔案。這裡的可執行檔案既可以是二進位制檔案，也可以是任何Linux下可執行的指令碼檔案。

當fork建立新程式時，即可使用exec函式執行新的程式，但並不是建立新的程式。

1、execl()

int execl(const char *path, const char*argv.......);

函式執行成功則不返回，否則返回-1

功能：execl()用於執行引數path字串代表的檔案路徑，接下來引數代表執行檔案時傳遞argv, 最後一個引數必須以空指標結束。

2、execle()

int execle(const char *path, const char*argv.....，const char *envp[])

功能：執行那個引數path字元代表的檔案路徑，接下來引數代表執行檔案時傳遞的引數argv，最後一個引數必須指向一個新的環境變數陣列，成為新執行程式的環境變數。

3、execlp()

int execlp(const char *path, const char*arg......)

功能：從path環境變數所指目錄中查詢符合引數file的檔名，找到後執行該檔案，接下來引數代表執行檔案時傳遞的argv[0],最後一個引數必須以空指標NULL。

4、execv()

int execv(const char *path, const char*arg[])

功能：執行引數path字元代表的檔案路徑，第二引數以陣列指標來傳遞給執行檔案。

5、execve()

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

功能:執行filename字串代表的檔案路徑，中間引數利用陣列指標來傳遞給執行檔案，最後一個引數為傳遞給執行檔案的新環境變數陣列。

6、execvp()

int execvp(const char *filename, const char*argv[])

功能:從path環境變數所指定目錄中查詢符合引數file的檔名, 找到後執行此檔案，第二個引數argv傳遞給要執行的檔案

這6個函式都是以exec開頭（表示屬於exec函式組），前3個函式接著字母l的，後3個接著字母v的，我的理解是l表示list（列舉引數），v表示vector（引數向量表）

。它們的區別在於，execv開頭的函式是以"char *argv[]"(vector)形式傳遞命令列引數，而execl開頭的函式採用了羅列(list)的方式，把引數一個一個列出來，然後以一個NULL表示結束。這裡的NULL的作用和argv陣列裡的NULL作用是一樣的。

字母p是指在環境變數PATH的目錄裡去查詢要執行的可執行檔案。2個以p結尾的函式execlp和execvp，看起來，和execl與execv的差別很小，事實也如此，它們的區別從第一個引數名可以看出：除 execlp和execvp之外的4個函式都要求，它們的第1個引數path必須是一個完整的路徑，如"/bin/ls"；而execlp和execvp 的第1個引數file可以僅僅只是一個檔名，如"ls"，這兩個函式可以自動到環境變數PATH指定的目錄裡去查詢。

字母e是指給可執行檔案指定環境變數。在全部6個函式中，只有execle和execve使用了char *envp[]傳遞環境變數，其它的4個函式都沒有這個引數，這並不意味著它們不傳遞環境變數，這4個函式將把預設的環境變數不做任何修改地傳給被執行的應用程式。而execle和execve用指定的環境變數去替代預設的那些。

返回值

與一般情況不同，exec函式族的函式執行成功後不會返回，因為呼叫程式的實體，包括程式碼段，資料段和堆疊等都已經被新的內容取代，只有程式ID等一些表面上的資訊仍保持原樣。呼叫失敗時，會設定errno並返回-1，然後從原程式的呼叫點接著往下執行。

與其他系統呼叫比起來，exec很容易失敗，被執行檔案的位置，許可權等很多因素都能導致呼叫失敗。因此，使用exec函式族時，一定要加錯誤判斷語句。最常見的錯誤：

找不到檔案或路徑，此時errno被設定為ENOENT；

陣列argv和envp忘記用NULL結束，此時errno被設定為EFAULT；

沒有對要執行檔案的執行許可權，此時errno被設定為EACCES。

為此，Linux還專門對fork作了優化：通常fork會將呼叫程式的所有內容原封不動的拷貝到新產生的子程式中去，這些拷貝的動作很消耗時間，而如果fork完之後我們馬上就呼叫exec，那這些辛辛苦苦拷貝來的東西就會被立刻抹掉，這看起來非常不划算，於是人們設計了一種"寫時複製（copy-on-write）" 技術，使得fork結束後並不立刻複製父程式的內容到子程式，而是到了真正使用時才複製，這樣如果下一條語句是exec，它就不會作無用功了。其實"寫時複製"還是有複製，程式的mm結構、頁表都還是被複制了（"寫時複製"也必須由這些資訊來支撐。否則核心捕捉到CPU訪存異常，怎麼區分這是“寫時複製”引起的，還是真正的越權訪問呢？）。

而vfork就把事情做絕了，所有有關於記憶體的東西都不復制了，父子程式的記憶體是完全共享的。但是這樣一來又有問題了，雖然使用者程式可以設計很多方法來避免父子程式間的訪存衝突。但是關鍵的一點，父子程式共用著棧，這可不由使用者程式控制的。一個程式進行了關於函式呼叫或返回的操作，則另一個程式的呼叫棧（實際上就是同一個棧）也被影響了。這樣的程式沒法執行下去。所以，vfork有個限制，子程式生成後，父程式在vfork中被核心掛起，直到子程式有了自己的記憶體空間（exec**）或退出(_exit)。並且，在此之前，子程式不能從呼叫vfork的函式中返回（同時，不能修改棧上變數、不能繼續呼叫除_exit或exec系列之外的函式，否則父程式的資料可能被改寫）。

儘管限制很多，vfork後馬上exec效率會比fork高不少。

下面是一個例子：

#include <unistd.h>
int main(void)
{
   char *envp[] = {"PATH=/tmp", "USER=root","STATUS=test", 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 byexecl", NULL) < 0)
           perror("Err on execl");
 
   if (fork() == 0)
       if (execlp("echo", "echo", "executed byexeclp", 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");
}

由於各個子程式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--各子程式列印的結果交雜在一起，而不是嚴格按照程式中列出的次序。若將程式中fork都改為vfork，則各個exec執行的程式將按序執行。