當你在 Linux 上啟動一個程式時會發生什麼？

本文是關於 fork 和 exec 是如何在 Unix 上工作的。你或許已經知道，也有人還不知道。幾年前當我瞭解到這些時，我驚歎不已。

我們要做的是啟動一個程式。我們已經在部落格上討論了很多關於系統呼叫的問題，每當你啟動一個程式或者開啟一個檔案，這都是一個系統呼叫。所以你可能會認為有這樣的系統呼叫：

start_process(["ls", "-l", "my_cool_directory"])

這是一個合理的想法，顯然這是它在 DOS 或 Windows 中的工作原理。我想說的是，這並不是 Linux 上的工作原理。但是，我查閱了文件，確實有一個 的系統呼叫基本上是這樣做的，不過這不在本文的討論範圍內。

Linux 上的 posix_spawn 是透過兩個系統呼叫實現的，分別是 fork 和 exec（實際上是 execve），這些都是人們常常使用的。儘管在 OS X 上，人們使用 posix_spawn，而 fork 和 exec 是不提倡的，但我們將討論的是 Linux。

Linux 中的每個程式都存在於“程式樹”中。你可以透過執行 pstree 命令檢視程式樹。樹的根是 init，程式號是 1。每個程式（init 除外）都有一個父程式，一個程式都可以有很多子程式。

所以，假設我要啟動一個名為 ls 的程式來列出一個目錄。我是不是隻要發起一個程式 ls 就好了呢？不是的。

我要做的是，建立一個子程式，這個子程式是我（me）本身的一個克隆，然後這個子程式的“腦子”被吃掉了，變成 ls。

開始是這樣的：

my parent
    |- me

然後執行 fork()，生成一個子程式，是我（me）自己的一份克隆：

my parent
    |- me
       |-- clone of me

然後我讓該子程式執行 exec("ls")，變成這樣：

my parent
    |- me
       |-- ls

當 ls 命令結束後，我幾乎又變回了我自己：

my parent
    |- me
       |-- ls (zombie)

在這時 ls 其實是一個殭屍程式。這意味著它已經死了，但它還在等我，以防我需要檢查它的返回值（使用 wait 系統呼叫）。一旦我獲得了它的返回值，我將再次恢復獨自一人的狀態。

my parent
    |- me

如果你要編寫一個 shell，這是你必須做的一個練習（這是一個非常有趣和有啟發性的專案。Kamal 在 Github 上有一個很棒的研討會：）。

事實證明，有了 C 或 Python 的技能，你可以在幾個小時內編寫一個非常簡單的 shell，像 bash 一樣。（至少如果你旁邊能有個人多少懂一點，如果沒有的話用時會久一點。）我已經完成啦，真的很棒。

這就是 fork 和 exec 在程式中的實現。我寫了一段 C 的虛擬碼。請記住，

int pid = fork();// 我要分身啦// “我”是誰呢？可能是子程式也可能是父程式if (pid == 0) {    // 我現在是子程式
    // “ls” 吃掉了我腦子，然後變成一個完全不一樣的程式
    exec(["ls"])
} else if (pid == -1) {    // 天啊，fork 失敗了，簡直是災難！} else {    // 我是父程式耶
    // 繼續做一個酷酷的美男子吧
    // 需要的話，我可以等待子程式結束}

程式有很多屬性：

• 開啟的檔案（包括開啟的網路連線）

• 環境變數

• 訊號處理程式（在程式上執行 Ctrl + C 時會發生什麼？）

• 記憶體（你的“地址空間”）

• 暫存器

• 可執行檔案（/proc/$pid/exe）

• cgroups 和名稱空間（與 Linux 容器相關）

• 當前的工作目錄

• 執行程式的使用者

• 其他我還沒想到的

當你執行 execve 並讓另一個程式吃掉你的腦子的時候，實際上幾乎所有東西都是相同的！ 你們有相同的環境變數、訊號處理程式和開啟的檔案等等。

唯一改變的是，記憶體、暫存器以及正在執行的程式，這可是件大事。

你可能會問：“如果我有一個使用了 2GB 記憶體的程式，這是否意味著每次我啟動一個子程式，所有 2 GB 的記憶體都要被複制一次？這聽起來要耗費很多資源！”

事實上，Linux 為 fork() 呼叫實現了寫時複製copy on write，對於新程式的 2GB 記憶體來說，就像是“看看舊的程式就好了，是一樣的！”。然後，當如果任一程式試圖寫入記憶體，此時系統才真正地複製一個記憶體的副本給該程式。如果兩個程式的記憶體是相同的，就不需要複製了。

你可能會說，好吧，這些細節聽起來很厲害，但為什麼這麼重要？關於訊號處理程式或環境變數的細節會被繼承嗎？這對我的日常程式設計有什麼實際影響呢？

有可能哦！比如說，在 Kamal 的部落格上有一個很有意思的 。它討論了 Python 如何使訊號處理程式忽略了 SIGPIPE。也就是說，如果你從 Python 裡執行一個程式，預設情況下它會忽略 SIGPIPE！這意味著，程式從 Python 指令碼和從 shell 啟動的表現會有所不同。在這種情況下，它會造成一個奇怪的問題。

所以，你的程式的環境（環境變數、訊號處理程式等）可能很重要，都是從父程式繼承來的。知道這些，在除錯時是很有用的。

via: https://jvns.ca/blog/2016/10/04/exec-will-eat-your-brain/

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