exec函式族

2puT發表於2016-07-08
函式

也許有不少讀者從本系列文章一推出就開始讀，一直到這裡還有一個很大的疑惑：既然所有新程式都是由fork產生的，而且由fork產生的子程式和父程式幾乎完全一樣，那豈不是意味著系統中所有的程式都應該一模一樣了嗎？而且，就我們的常識來說，當我們執行一個程式的時候，新產生的程式的內容應就是程式的內容才對。是我們理解錯了嗎？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系統呼叫。

1.10.1 簡介

說是exec系統呼叫，實際上在Linux中，並不存在一個exec()的函式形式，exec指的是一組函式，一共有6個，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[]);

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。

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，只留下程式ID等一些表面上的資訊仍保持原樣，頗有些神似"三十六計"中的"金蟬脫殼"。看上去還是舊的軀殼，卻已經注入了新的靈魂。只有呼叫失敗了，它們才會返回一個-1，從原程式的呼叫點接著往下執行。

現在我們應該明白了，Linux下是如何執行新程式的，每當有程式認為自己不能為系統和擁護做出任何貢獻了，他就可以發揮最後一點餘熱，呼叫任何一個exec，讓自己以新的面貌重生；或者，更普遍的情況是，如果一個程式想執行另一個程式，它就可以fork出一個新程式，然後呼叫任何一個exec，這樣看起來就好像通過執行應用程式而產生了一個新程式一樣。

事實上第二種情況被應用得如此普遍，以至於Linux專門為其作了優化，我們已經知道，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，這些辛辛苦苦拷貝來的東西又會被立刻抹掉，這看起來非常不划算，於是人們設計了一種"寫時拷貝（copy-on-write）"技術，使得fork結束後並不立刻複製父程式的內容，而是到了真正實用的時候才複製，這樣如果下一條語句是exec，它就不會白白作無用功了，也就提高了效率。

1.10.2 稍稍深入

上面6條函式看起來似乎很複雜，但實際上無論是作用還是用法都非常相似，只有很微小的差別。在學習它們之前，先來了解一下我們習以為常的main函式。

下面這個main函式的形式可能有些出乎我們的意料：

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

它可能與絕大多數教科書上描述的都不一樣，但實際上，這才是main函式真正完整的形式。

引數argc指出了執行該程式時命令列引數的個數，陣列argv存放了所有的命令列引數，陣列envp存放了所有的環境變數。環境變數指的是一組值，從使用者登入後就一直存在，很多應用程式需要依靠它來確定系統的一些細節，我們最常見的環境變數是PATH，它指出了應到哪裡去搜尋應用程式，如/bin；HOME也是比較常見的環境變數，它指出了我們在系統中的個人目錄。環境變數一般以字串"XXX=xxx"的形式存在，XXX表示變數名，xxx表示變數的值。

值得一提的是，argv陣列和envp陣列存放的都是指向字串的指標，這兩個陣列都以一個NULL元素表示陣列的結尾。

我們可以通過以下這個程式來觀看傳到argc、argv和envp裡的都是什麼東西：

/* 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;
            }

編譯它：

$ cc main.c -o main

執行時，我們故意加幾個沒有任何作用的命令列引數：

$ ./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

我們看到，程式將"./main"作為第1個命令列引數，所以我們一共有3個命令列引數。這可能與大家平時習慣的說法有些不同，小心不要搞錯了。

現在回過頭來看一下exec函式族，先把注意力集中在execve上：

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

對比一下main函式的完整形式，看出問題了嗎？是的，這兩個函式裡的argv和envp是完全一一對應的關係。execve第1個引數path是被執行應用程式的完整路徑，第2個引數argv就是傳給被執行應用程式的命令列引數，第3個引數envp是傳給被執行應用程式的環境變數。

留心看一下這6個函式還可以發現，前3個函式都是以execl開頭的，後3個都是以execv開頭的，它們的區別在於，execv開頭的函式是以"char *argv[]"這樣的形式傳遞命令列引數，而execl開頭的函式採用了我們更容易習慣的方式，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。

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會用指定的環境變數去替代預設的那些。

還有2個以p結尾的函式execlp和execvp，咋看起來，它們和execl與execv的差別很小，事實也確是如此，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可以簡單到僅僅是一個檔名，如"ls"，這兩個函式可以自動到環境變數PATH制定的目錄裡去尋找。

1.10.3 實戰

知識介紹得差不多了，接下來我們看看實際的應用：

/* 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");
            }

程式裡呼叫了2個Linux常用的系統命令，echo和env。echo會把後面跟的命令列引數原封不動的列印出來，env用來列出所有環境變數。

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。

編譯並執行：

$ 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輸出的結果跑到了execlp前面。

大家在平時的程式設計中，如果用到了exec函式族，一定記得要加錯誤判斷語句。因為與其他系統呼叫比起來，exec很容易受傷，被執行檔案的位置，許可權等很多因素都能導致該呼叫的失敗。最常見的錯誤是：

  1. 找不到檔案或路徑，此時errno被設定為ENOENT；
  2. 陣列argv和envp忘記用NULL結束，此時errno被設定為EFAULT；
  3. 沒有對要執行檔案的執行許可權，此時errno被設定為EACCES。

原文出自：http://www-128.ibm.com/developerworks/cn/linux/kernel/syscall/part3/index.html

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