《Linux系统编程篇》exec族函数——基础篇

当你知道越来越多的时候，随着你的知识量的增加，所而做的事以及解决问题的方法就越多，越丰富！

——家驹

引言

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当我们介绍完fork之后，你会发现虽然我可以同时跑俩个程序，但是还是太过于局限了，而且细心的学员们发现，进程直接是完全不互通的，好像fork之后什么也做不了，是的，只学完fork就是这样的，所以我们再来介绍新的知识。exec族函数。

探索 exec() 系列函数：Linux 进程替换

在 Linux 中，exec() 系列函数是用于进程的重载（或替换）的系统调用。与 fork() 不同，exec() 不会创建新的进程，而是将当前进程的代码和数据替换为一个新的程序，从而实现进程功能的“转变”。exec() 在构建多任务系统、实现子进程执行新任务中非常重要。本文将介绍 exec() 系列函数的使用方式和常见应用场景。

1. 什么是 exec() 系列函数？

exec() 系列函数提供了在当前进程上下文中执行其他程序的能力。当调用 exec() 函数时，当前进程的代码和内存会被新程序替换，但进程 ID（PID）保持不变。这意味着在进程级别，它仍然是原进程，但其任务和行为已经完全改变。

当我的程序调用exec的时候，他就不在执行exec以下的代码了，而是去执行exec系列函数指定程序，可以理解为进程替换。

生活中，比如我今天想安安稳稳敲一天的代码，这本来是我今天应该执行的程序，但是我的大脑又想干其他的事情，此时你完全可以不敲代码，改变我今天的行程，当我决定改变日程的时候，其实就相当于在linux系统中调用了exec()，比如我不想敲代码，我想打一天游戏，那么我可以这么做execl(打一天游戏)。是的，就是这样，那么我也不用在思考敲代码的事情了，专心打游戏就可以了。

我们就会想，既然fork出来一个崭新子进程，我可以让这个子进程，通过调用exec系列去执行其他程序，而不是局限和父进程执行一样的东西了。

exec() 系列函数主要包括以下几种变体：

1. execl()：适用于已知固定参数的情况，参数通过变长列表传递。
2. execv()：适用于参数数量动态的情况，参数以数组形式传递。
3. execlp() 和 execvp()：与前两者类似，但会在 PATH 环境变量指定的路径中寻找可执行文件。
4. execle() 和 execve()：允许传递特定的环境变量。

2. exec() 系列函数的函数原型

以下是 exec() 系列函数的原型及其含义：

// 常见的 exec 系列函数
int execl(const char *path, const char *arg, ...);
int execv(const char *path, char *const argv[]);
int execlp(const char *file, const char *arg, ...);
int execvp(const char *file, char *const argv[]);
int execle(const char *path, const char *arg, ..., char *const envp[]);
int execve(const char *path, char *const argv[], char *const envp[]);

参数说明：

• path：要执行的程序路径（绝对路径或相对路径）。
• arg：程序的参数列表（arg[0] 通常是程序的名称）。
• argv：参数数组，最后一个元素需为 NULL。
• envp：环境变量数组，NULL 表示使用当前环境变量。

3. exec() 系列函数的使用

不同的 exec() 变体在调用时各有特点。下面的例子不仅仅能调用系统的命令（系统命令本质也是程序代码编写而来），可以调用我们的其它已经写好的代码。

以下是几种常见的用法：

（1）execl()

• execl() 需要将参数以变长列表的形式传递，适合参数固定的情况。

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

int main() {
    printf("Running execl...\n");
    execl("/bin/ls", "ls", "-l", "/home", NULL); // 指定路径执行 ls 命令
    perror("execl failed");
    return 1;
}

执行上面的代码就发现，我好像发命令ls -l 函数？，是的做一层封装，就是你的ls函数，通过argc，argv来配合，这就由学员自由发挥了。

（2）execv()

• execv() 适合参数数量动态的情况，参数通过数组传递。

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

int main() {
    char *args[] = {"ls", "-l", "/home", NULL};
    printf("Running execv...\n");
    execv("/bin/ls", args); // 执行 ls 命令
    perror("execv failed");
    return 1;
}

（3）execlp() 和 execvp()

• execlp() 和 execvp() 会在环境变量 PATH 中查找可执行文件。
• 如果不知道命令的完整路径（例如 ls），可以使用 execlp() 或 execvp()。

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

int main() {
    printf("Running execlp...\n");
    execlp("ls", "ls", "-l", "/home", NULL); // 使用 PATH 查找 ls 命令
    perror("execlp failed");
    return 1;
}

（4）execle() 和 execve()

• execle() 和 execve() 可以传入特定的环境变量，适合在新环境下运行程序。

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

int main() {
    char *args[] = {"ls", "-l", "/home", NULL};
    char *env[] = {"PATH=/usr/bin:/bin", "USER=guest", NULL};

    printf("Running execve...\n");
    execve("/bin/ls", args, env); // 在指定环境下执行 ls 命令
    perror("execve failed");
    return 1;
}

4. exec() 系列函数的工作原理

调用 exec() 系列函数后，当前进程会被新程序替换：

1. 替换执行：当前进程的代码段、数据段和堆栈被清空，加载新程序。
2. PID 不变：虽然代码被替换，但 PID 保持不变。因此，它仍然被认为是原来的进程。
3. 关闭不再使用的文件描述符：默认情况下，父进程中的打开文件描述符会被继承。如果不需要，可以设置 FD_CLOEXEC 标志来关闭文件描述符。

5. exec() 系列函数的常见用法

• 执行外部程序：常用于在 shell 或父进程中调用外部程序。
• 多进程程序的子进程初始化：与 fork() 配合使用，通过 fork() 创建子进程，然后使用 exec() 在子进程中执行不同的任务。
• 服务器编程：许多服务器会使用 fork()+exec() 来处理每个客户端请求，以便并行执行不同的任务。

6. exec() 与 fork() 的配合

fork() 用于创建新进程，而 exec() 用于执行新任务。这种组合在 shell 和服务器编程中非常常见。以下示例展示了一个父进程通过 fork() 创建子进程，并在子进程中调用 exec() 执行其他程序的过程：

#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
        printf("In child process...\n");
        execlp("ls", "ls", "-l", NULL); // 子进程执行 ls 命令
        perror("exec failed");
        return 1;
    } else { // 父进程
        wait(NULL); // 等待子进程结束
        printf("Child process finished.\n");
    }
    return 0;
}

在这个例子中，父进程创建子进程，子进程在调用 exec() 后执行 ls 命令。exec() 执行成功后，子进程的代码被替换，继续执行新任务。父进程则通过 wait() 等待子进程结束。

7. 常见的错误与注意事项

1. exec() 执行失败：如果文件路径错误或权限不足，exec() 调用将失败，并返回 -1。
2. 未结束的父进程：在 fork() 后不使用 exec() 会导致子进程复制了父进程的代码，可能引起资源浪费。
3. 文件描述符继承：exec() 调用后，父进程的文件描述符通常会被继承。使用 FD_CLOEXEC 标志可以避免此问题。

结论

exec() 系列函数为进程提供了执行新程序的能力，允许在进程上下文中运行不同的任务。它与 fork() 配合使用，为 Linux 多任务处理提供了灵活性。理解和使用 exec() 系列函数有助于构建高效的多任务应用，提高系统性能。在实际应用中，使用 exec() 系列函数时务必注意文件路径、参数格式及环境变量的正确传递，以确保程序运行的稳定性。