Linux中exec系列函数与fork函数

在 Linux 和其他 Unix-like 操作系统中，exec 系列函数和 fork 函数是进程管理中的两个重要组成部分。它们在创建和执行进程时扮演着关键角色，理解它们的工作原理及相互关系对于系统编程至关重要。

一、fork() 函数

fork() 是用于创建新进程的系统调用。调用 fork() 后，当前进程（父进程）会被复制一份，生成一个新的进程（子进程）。以下是 fork() 的一些重要特性：

1. 进程复制：子进程是父进程的一个副本，拥有相同的内存空间、打开的文件描述符等。
2. 返回值：fork() 在父进程中返回新创建的子进程的 PID（进程 ID），而在子进程中返回 0。在出错时返回 -1。
3. 并行执行：父进程和子进程会并行执行，操作系统调度它们的执行。

示例代码：

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>

int main() {
    pid_t pid = fork();
    
    if (pid < 0) {
        perror("fork failed");
        return 1;
    } else if (pid == 0) {
        // 子进程
        printf("This is the child process with PID: %d\n", getpid());
    } else {
        // 父进程
        printf("This is the parent process with PID: %d, created child with PID: %d\n", getpid(), pid);
    }
    return 0;
}

二、exec 系列函数

exec 系列函数用于在当前进程的上下文中执行新的程序。这意味着调用 exec 后，当前进程的代码和数据将被新程序替换。exec 函数有多种变体，包括：

• execl()：使用参数列表传递命令行参数。
• execv()：使用参数数组传递命令行参数。
• execle()：使用环境变量传递命令行参数。
• execve()：接收命令、参数和环境变量的数组，是最底层的实现。
• execvp()：使用文件名搜索路径，传递参数数组。

特性：

1. 替换进程：执行 exec 后，当前进程的映像被替换为新程序，进程 ID 保持不变。
2. 返回值：如果 exec 调用成功，它不会返回；如果失败，它返回 -1，并设置 errno。
3. 环境变量：可以传递环境变量供新程序使用。

示例代码：

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>

int main() {
    pid_t pid = fork();
    
    if (pid < 0) {
        perror("fork failed");
        return 1;
    } else if (pid == 0) {
        // 子进程
        char *args[] = {"/bin/ls", "-l", NULL}; // 参数列表
        execvp(args[0], args); // 执行 ls 命令
        perror("exec failed"); // 如果 exec 失败，输出错误
    } else {
        // 父进程
        wait(NULL); // 等待子进程结束
        printf("Child process completed.\n");
    }
    return 0;
}

三、fork() 与 exec 的关系

在大多数情况下，fork() 和 exec 一起使用，以便创建新的进程并在其中执行新程序。通常的操作步骤如下：

1. **调用 **fork()：创建一个新的子进程。
2. **在子进程中调用 **exec：用 exec 系列函数替换子进程的映像为新程序。
3. 父进程继续执行：父进程可以继续执行，通常会等待子进程完成。

工作流程：

• 创建子进程：fork() 生成一个新进程，该进程是当前进程的副本。
• 执行新程序：子进程调用 exec 系列函数，将自己的执行映像替换为新程序。
• 并行处理：父进程可以并行处理其他任务。

示例代码（结合使用）：

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/wait.h>

int main() {
    pid_t pid = fork();
    
    if (pid < 0) {
        perror("fork failed");
        return 1;
    } else if (pid == 0) {
        // 子进程
        char *args[] = {"./my_program", NULL}; // 假设执行的程序为 my_program
        execvp(args[0], args);
        perror("exec failed");
    } else {
        // 父进程
        wait(NULL); // 等待子进程结束
        printf("Child process completed.\n");
    }
    return 0;
}