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fork() execve()

①fork()系统调用：
进程调用fork()创建一个新的进程，新进程复制了父进程的task_struct（PCB，process control block，进程控制块），以及task_struct中的各个子模块，比如内核堆栈等，然后对各个子模块做了修改。系统调用通过eax寄存器保存返回值，fork()系统调用结束后从内核态返回两次，一次是父进程返回，一次是子进程返回，区分父子进程的方法就是看返回值是否为0，若为0，说明返回的是新进程，不为0返回的是父进程。



②execve()内核函数的作用
解析elf文件，把elf文件装入内存，修改进程的数据段代码段，修改进程的用户态堆栈（主要是把命令行参数和shell上下文加入到用户态堆栈）。修改进程内核堆栈（特别是内核堆栈的ip指针），进程从execve返回到用户态后ip指向ELF文件的main函数地址，用户态堆栈中包含了命令行参数和shell上下文环境。
我们惊奇的发现进程的创建是通过fork()函数完成的，进程的执行代码是execve()加载的，要是把fork()和execve()组和在一起

进程必须的4要点：
a.要有一段程序供该进程运行，就像一场戏剧要有一个剧本一样。该程序是可以被多个进程共享的，多场戏剧用一个剧本一样。
b.有起码的私有财产，就是进程专用的系统堆栈空间。
c.有“户口”，既操作系统所说的进程控制块，在linux中具体实现是task_struct
d.有独立的存储空间。
当一个进程缺少d条件时候，我们称其为线程。
1.fork 创造的子进程复制了父亲进程的资源，包括内存的内容task_struct内容（2个进程的pid不同）。这里是资源的复制不是指针的复制。
2.vfork创建出来的不是真正意义上的进程，而是一个线程，因为它缺少了我们上面提到的进程的四要素的第4项，独立的内存资源



1.fork()



　　fork()函数的作用是创建一个新进程，由fork创建的进程称为子进程，fork函数调用一次返回两次，子进程返回值为0，父进程返回子进程的进程ID。我们知道，一个进程的地



址空间主要由代码段，数据段，堆和栈构成，那么p2就要复制相关的段到物理内存。原始的unix系统的实现的是一种傻



瓜式的进程创建，这些复制包括：



(1)  为子进程的页表分配页面，确定页表的位置；



(2)为子进程的页分配页面，确定子进程页面的位置；



(3)初始化子进程的页表；



(4)把父进程的页复制到子进程对应的页中



从图中我们可以看出除了正文段外，子进程的所有其它段都分配了物理空间，并将父进程的相关内容拷贝过来。父进程的task_struct结构中的打开文件描述符，进程组ID，回话ID都进行复制。



但是这种方法的效果非常不好，如果在fork子进程之后，立即调用了exec函数簇，那么原先拷贝的父进程的数据段，栈，堆的相关副本都将变为徒劳。后来人们想到了一种



替代的方式，那就是写时复制(Copy-On-write，COW技术)，这种技术允许父进程和子进程共享上面的区域，而且内核将这些段的访问权限变成只读。如果是父进程或是子进程中



的任何一个试图修改这些区域，则内核只为修改区域的那块内存制作一个副本，通常是虚拟存储系统的某一个”页”.下面是这种技术在没有写操作的时候的的详细图解，如果子进



程或父进程的任何一个有写操作的话，那么被写的那一页才需要复制到物理空间；



COW技术在进程调用fork()的时候，并没给子进程的相关段分配内存空间。这种做法在fork()之后调用exec函数簇的过程中效率有很大的提高。这种情况下，内



核只需要为子进程创建一个task_struct，也就是说如果子进程调用exec函数簇执行了另一个可执行文件，那么内核可能只是新建一个task_struct结构体，将父进程的内容拷贝过



，这样就大大节约了盲目拷贝的消耗。



2.vfork()



    vfork()函数也用于创建一个新进程，而该新进程的目的是exec一个新程序



３．clone()
　　clone()函数是linux系统中，用来创建轻量级进程。
1）fork函数会在父进程中创建子进程，子进程的堆，栈，数据段，PC指针都是从父进程中复制过来的，和父进程是独立的，但是内容是一致的。代码段子进程和父进程是共享的。
2）fork（）的返回值可能为-1,0，和一个正数。-1表示fork（）调用失败，0表示返回子进程执行结果，正数表示返回父进程结果（正数即为子进程ID）。
3）在fork的时候，缓存被复制到了子进程空间。



在进程中调用exec函数启动新的程序。exec函数一共有六个，其中execve为内核级系统调用，其他（execl，execle，execlp，execv，execvp）都是调用execve的库函数。所以只要掌握了execve用法就可以了。



当一个程序使用fork()函数创建了一个子进程时，通过会在该子进程中调用exec()函数簇之一以加载执行另一个新程序。”
这里的“exec()函数簇之一”应该就是指：execve() 函数了，而这个execve()函数是通过宏定义来实现的，宏定义中就是
通过汇编完成“系统中断调用”，对应的中断向量号是0x80，采用的调用功能号是 __NR__EXECVE ，代码如下：



通过宏来完成对execve()函数的定义：
_syscall3 (int, execve, const char *, file, char **, argv, char **, envp)



在Linux帮助手册中关于exec系列函数的说明也说明了这一点：



execve() does not return on success, and the text, data, bss, and stack of the calling process are overwritten by that of the program loaded. （execve函数执行成功后不会返回，而且代码段，数据段，bss段和调用进程的栈会被被加载进来的程序覆盖掉）



execve系统调用的执行过程：





  1. 陷入内核




  2. 加载新的可执行文件并进行可执行性检查




  3. 将新的可执行文件映射到当前运行进程的进程空间中，并覆盖原来的进程数据




  4. 将EIP的值设置为新的可执行程序的入口地址。如果可执行程序是静态链接的程序，或不需要其他的动态链接库，则新的入口地址就是新的可执行文件的main函数地址；如果可执行程序还需要其他的动态链接库，则入口地址是加载器ld的入口地址




  5. 返回用户态，程序从新的EIP出开始继续往下执行。至此，老进程的上下文已经被新的进程完全替代了，但是进程的PID还是原来的。从这个角度来看，新的运行进程中已经找不到原来的对execve调用的代码了，所以execve函数的一个特别之处是他从来不会成功返回，而总是实现了一次完全的变身。





1.预处理
首先在内核空间分配一个物理页面，然后调用do_getname()从用户空间拷贝文件名字符串。



2.调用主体函数do_execve()
2.1我们既然要执行参数中给的二进制文件，首先需要打开文件，获取文件句柄file



2.2然后我们需要一个linux_binprm结构体去保存函数具体的参数信息，包括文件名，argv,envp，还会将文件前128字节读到linux_binprm.buf中。



2.3因为可执行文件的种类很多，比如elf,a.out等格式。我们需要从内核全局linux_binfmt队列中找到一个能够处理参数中所给的可执行文件的linux_binfmt结构，具体就是依次试用linux_binfmt结构中各自的load_binary（）函数。



3.可执行文件的装载和投运(a.out为例）
3.1与过去决裂，释放用户空间。
既然是要执行参数中给定的二进制文件，就需要放弃可能从父进程继承下来的用户空间，而使用本进程自己的用户空间。因此，需要检查是否与父进程通过指针共享用户空间，还是之前复制父进程用户空间。如果通过指针共享，说明本进程本身没有自己的用户空间，之前称为“进程”不合适，应该称作线程，就直接申请进程用户空间。如果复制父进程的用户空间，这是就需要全部释放。



3.2装载可执行文件数据段代码段
这时可以将可执行文件装入进程的用户空间了，这时分两种情况：



1.可执行文件不是”纯代码”，需要通过do_brk()扩展数据段+代码段大小的空间，然后通过read()读取文件内容到用户空间



2.否则，如果文件系统提供mmap(),并且数据段和代码段长度与页面大小对齐，直接通过文件映射读取到用户空间，否则，通过1方法读取。



3.2装载可执行文件堆栈段和bss段
用户空间堆栈区顶部当然是用户虚存空间顶部，即TASK_SIZE，为3GB，虚存地址为0xC000 0000的位置。



这里主要是设置用户堆栈区，包括envp[],argv[]以及argc



4.start_thread()



exec族的任一函数都不创建一个新的进程，而是在调用进程里面去执行新的程序。所以进程id不变，还是调用exec函数前的进程id，但是用户空间的代码和数据都更新了，变为新程序的代码和数据了。



extern char **environ;	//全局环境变量，导入到本文件即可直接使用




  1. int execl(const char *path, const char *arg, …);



    功能：通过路径+文件名来加载一个进程；path文件路径；arg文件名称；…可变参数，至少一个NULL



    附：l即list



    返回值：成功的情况下是没有返回的，失败时返回-1 。



    举例说明：



     execl("/bin/ls", "ls", "-a", "-l", NULL);	//path绝对路径，如/bin/ls；文件名称ls；后面三个可变参数，最后必须以NULL结束



  2. int execlp(const char *file, const char *arg, …);



    功能：借助PATH环境变量加载一个进程，file要加载的程序的名称



    附：l即list；p即path



    该函数需要配合PATH环境变量来使用，当PATH中所有目录搜索后没有参数file，则出错返回。



    该函数通常用来调用系统程序。如：ls、cp、cat等命令。



    返回值：成功的情况下是没有返回的，失败时返回-1 。



    举例说明：



     execlp("ls", "ls", "-a", "-l", NULL);	//第一个ls是指查看PATH环境变量里的ls；第二个ls是名称文件；后面是可变参数，NULL结束



  3. int execle(const char *path, const char *arg, …, char * const envp[]);



    功能：加载指定路径的程序，并为新程序复制最后一个环境变量





附：l即list；e即environment

举例说明：



	char* envp[] = {NULL};



	execlp("ls", "ls", "-a", "-l", NULL, envp);




  1. int execv(const char *path, char *const argv[]);



    功能：加载指定路径的程序



    附：v即vector，命令行参数列表



    举例说明：



     char* argv[] = {"ls", "-a", "-l", NULL}; 
    

    
 execl("/bin/ls",argv);



  2. int execvp(const char *file, char *const argv[]);



    功能：加载path环境变量里的名称为file的程序



    附：v即命令行参数列表，p即path



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



     pid_t pid = fork();
    

    
 if (pid == 0) {	//子进程里加载ls程序
    

    
     char* argvv[] = {"ls", "-a", "-l", NULL};
    

    
     execvp("ls", argvv);
    

    
     perror("execlp");   exit(1);	//只有execl函数执行失败的情况下才有机会执行这两句代码，执行的成功话就有去无回了。
    

    
 } else if (pid > 0) {
    

    
     sleep(1);	printf("parent\n");
    

    
 }
    

    
 return 0;


    }




  3. int execve(const char *filename, char *const argv[], char *const envp[]);



    功能：加载指定的程序；filename必须是一个可执行程序或者一个以#! interpreter [optional-arg] 开始的脚本。



     上面的五个exec函数是库函数，这个是系统函数；上面的五个exec函数最终都是调用这个函数实现的。




总结：exec族函数的规律



exec函数一旦调用成功就有去无回了，去执行新的程序去了。只有失败时才有返回，返回值为-1。所以我们直接在exec函数调用后直接调用perror()和exit()，不需要if判断，因为失败的情况才会执行。



函数名的意义的理解： 



	l (list)	命令行参数列表



	p (path) 环境变量，环境变量搜素文件名称file



	v (vector) 命令行参数数组



	e (environment) 环境变量数组，给新加载程序设置指定的环境变量



函数的相似性： 



	execlp——>execvp 



			    |		 	



	execl  ——>execv



			    | 



	execle——>execve



	从左往右，可变参数转为以NULL结尾的指针数组；从左往右， 从上往下，最后归根结底都是调用execve函数实现的。

Category linux