Linux中exec系列函数的应用

这段时间在研究 Linux 中用户登录和 Shell 执行程序的原理。

我们知道，Shell 命令分为内部命令和外部命令。内部命令有诸如 cd、history、exit、echo 等，常见的外部命令有 ls、ping、netstat 等。通过 type 命令可以查看一个命令是内部命令还是外部命令。

当执行的命令是内部命令时，Shell 可以直接执行。那么，Shell 是如何执行一个外部命令的呢？Shell 本身也是一个程序，程序之间调用的方式有很多，例如 popen。但是，Shell 要正确地执行一个外部命令，需要满足几个条件：

首先是 Shell 能够找到并调用这个程序，这是最基本的前提。
Shell 需要等待外部程序执行完成之后再继续。
外部程序执行时，需要继承 Shell 的一些运行状态，例如当前工作目录、控制终端、根目录等。

实际上，在 Linux 中，Shell 执行外部命令通常是通过创建子进程的方式完成的。通过 pstree 可以看到 Linux 的进程树，例如：

[root@home ~]# pstree

systemd-+-2*[agetty]
        |-avahi-daemon---avahi-daemon
        |-avahi-dnsconfd
        |-crond
        |-dbus-daemon
        |-haveged
        |-ifplugd
        |-master---pickup
        |-python
        |-rngd
        |-sshd-+-3*[sshd]
        |      `-sshd---bash---pstree
        |-systemd---(sd-pam)
        |-systemd-journal
        |-systemd-logind
        |-systemd-udevd
        `-wpa_supplicant

可以看到，这里执行的 pstree 就是 bash 的子进程。那么，Shell 执行外部命令的原理是什么呢？当 Shell 执行一个外部命令时，第一步通常是 fork 出一个子进程。Shell 获取需要执行的程序以及相关参数之后，子进程再调用 exec 系列函数执行另一个程序。这里需要注意：

exec 并不会创建新的进程，而是直接用新的程序替换当前进程。

因此，执行 exec 前后的进程 ID 并不会发生变化。整个过程可以简单理解成：

Shell
  ↓
fork()
  ↓
子进程
  ↓
exec()
  ↓
新的程序

下面的代码可以简单模拟 Shell 执行外部程序的过程：

#!/usr/bin/env python

import os
import sys

if sys.argv[1:]:
    pid = os.fork()
else:
    sys.exit(0)

if not pid:

    filename = sys.argv[1]

    argv1 = filename

    argvs = ",".join(sys.argv[2:])

    os.execlp(
        filename,
        argv1,
        argvs
    )

os.waitpid(pid, 0)

把这个文件保存为 ba，增加执行权限，然后运行：

./ba ping www.hitoy.org

程序可以正常执行。

再运行：

pstree

可以看到 Python 进程产生了一个 ping 子进程。

Linux 中，一个程序调用另一个程序时，经常会采用这种：

fork + exec

的方式。

exec是什么？

再来看一下 exec。

exec 并不是一个单独的函数，而是一组用于执行新程序的函数。Linux 中常见的有 6 个：

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[]);

这几个函数虽然名字比较多，但实际上是按照几个不同的功能组合出来的。

其中需要注意的是，带有 p 的函数，例如：

execlp()execvp()

当传入的文件名不是完整路径时，会根据 PATH 环境变量去查找对应的程序。

而不带 p 的函数，参数中的 path 一般需要指定程序的路径。

另外一个需要特别注意的地方是参数的传递。

例如：

execlp()
execvp()

这里的 arg 并不是简单地理解成“传给程序的第一个参数”。

按照程序实际接收到的参数列表来看，通常需要从第 0 个参数开始传递，也就是把程序本身的名称也作为第一个参数传进去。

例如：

argv[0] = 程序名称
argv[1] = 第一个参数
argv[2] = 第二个参数
...

所以，在使用 exec 系列函数的时候，需要特别注意参数的组织方式。通过这几个函数，可以看到 Linux 中“启动另外一个程序”的一个基本过程：

先通过 fork() 创建子进程，再通过 exec() 让这个子进程执行新的程序。

这也是理解 Linux Shell、进程以及程序调用关系时一个非常重要的基础。