简介 fork, exec*, pipe, dup2 前言 郑卜壬老师在上课的时候，以极快的速度讲过了 fork, exec*, pipe, dup2 几个指令，并以下面的程式示范了一个 Shell 如何实作 Redirection。我自己觉得这一部分很有趣，所以 花了一些时间去做一些实验，以下就把我的心得和大家分享。 Redirection 我们先从老师课堂上的那一个 Redirection 程式谈起。 /* 程式码 red.c */ #include <stdio.h> #include <stdlib.h> #include <fcntl.h> #include <unistd.h> int main(int argc, char **argv) { /* -- Check Arguments -------- */ if (argc < 4) { fprintf(stderr, "Error: Incorrect Arguments.\n"); fprintf(stderr, "Usage: red STDIN_FILE STDOUT_FILE EXECUTABLE ARGS\n"); exit(EXIT_FAILURE); } /* -- Open the Files for Redirection -------- */ int fd_in = open(argv[1], O_RDONLY); if (fd_in < 0) { fprintf(stderr, "Error: Unable to open the input file.\n"); exit(EXIT_FAILURE); } else { dup2(fd_in, STDIN_FILENO); close(fd_in); } int fd_out = open(argv[2], O_WRONLY | O_CREAT | O_TRUNC, 0644); if (fd_out < 0) { fprintf(stderr, "Error: Unable to open the output file.\n"); exit(EXIT_FAILURE); } else { dup2(fd_out, STDOUT_FILENO); close(fd_out); } /* -- Replace the Executable Image of the Process -------- */ if (execvp(argv[3], argv + 3) == -1) { fprintf(stderr, "Error: Unable to load executable image.\n"); exit(EXIT_FAILURE); } return EXIT_SUCCESS; } 大家可以用 gcc red.c -o red 来编译这一个程式，然後用 ./red 标准输入 标准输出 可执行档 其他参数 来执行他。例如： touch empty.txt ./red empty.txt output.txt /bin/echo "Hello, redirection." 我们可以发现 /bin/echo 执行时，其标准输出被我们重新导向到 output.txt，而不是直接显示到萤幕上。接下来我们来细看 red 这一个程式。我们先去除所有的错误检查： int main(int argc, char **argv) { int fd_in = open(argv[1], O_RDONLY); /* 很明显地，这一行是要开启一个档案做为标准输入的来源。 fd_in = 3 fd[0] --------> file_table[i] (inherit from shell) fd[1] --------> file_table[j] (inherit from shell) fd[2] --------> file_table[k] (inherit from shell) fd[3] --------> file_table[m] (open argv[1]) */ dup2(fd_in, STDIN_FILENO); /* 接着我们会先关掉原本由 bash 之类的 Shell 自动帮我们开启的 STDIN。 这里的 STDIN_FILENO 事实上就是被 define 成 0。 然後，把第 fd_in 个 File descriptor 复制一份到第 0 个 File descriptor。 这时，同时会有二个 File descriptor 指向同一个档案（Kernel File Table 同一个 entry）。 fd[0] ----------------------------+ fd[1] --------> file_table[j] | fd[2] --------> file_table[k] | fd[3] --------> file_table[m] <---+ */ close(fd_in); /* 关闭第 fd_in 个 File descriptor。或者精确地说，回收第 fd_in 个 File descriptor。因为我们不需要这个 File descriptor 了。此时， 就只剩一个 File descriptor 指向 file_table[m]。 fd[0] --------> file_table[m] (open argv[1]) fd[1] --------> file_table[j] (inherit from shell) fd[2] --------> file_table[k] */ int fd_out = open(argv[2], O_WRONLY | O_CREAT | O_TRUNC, 0644); /* 开启一个档案准备做为标准输出。如果档案不存在，就自动建立他，并将 其属性设为 644。若档案已经存在，记得要清空整个档案。 fd_out = 3 fd[0] --------> file_table[m] (open argv[1]) fd[1] --------> file_table[j] (inherit from shell) fd[2] --------> file_table[k] fd[3] --------> file_table[n] (open argv[2]) */ dup2(fd_out, STDOUT_FILENO); /* 和 STDIN 一样，我们关闭原有的 STDOUT，把我们开启的 fd_out 复制过去。 fd[0] --------> file_table[m] (open argv[1]) fd[1] --------------------------------+ fd[2] --------> file_table[k] | fd[3] --------> file_table[n] <-------+ */ close(fd_out); /* 和 STDIN 一样，把 fd_out 回收掉。 fd[0] --------> file_table[m] (open argv[1]) fd[1] --------> file_table[n] (open argv[2]) fd[2] --------> file_table[k] (inherit from shell) */ execvp(argv[3], argv + 3); /* 重新载入另一个执行档。我们下面会再谈到他。所有的 File descriptor 都 不会被改动(注1)。而 argv[3] 是可执行档的位置，argv + 3 是因为除了前 三个 argument 之外，我要把剩下的 argument 传给另一个执行档的 main() */ } 注1: 对於没有设定 FD_CLOEXEC 的 File descriptor，File descriptor 就不会因为 exec* 函式而被更动。本例之中，所有的 File descriptor 都没有设 FD_CLOEXEC。 exec* 重新载入可执行档 所谓的可执行档(Executable)，就是我们在 Windows 上常见的 .exe， 或者是 Linux 上的 elf executable。这种档案会储存许多 instruction 的 machine code。而 exec* 系统呼叫就是帮我们把可执行档的 machine code 搬进 Process 的 Memory，然後呼叫可执行档之中的 main 函式。所以 exec* 系统呼叫的第一个参数通常都是可执行档的 位置。 另外，直得注意的是：如果 exec* 系统呼叫成功地被执行，这个 process 就好像一个人完全失忆，然後大脑被载入不同的记忆，他会完全忘记他本 来要执行的指令，从新的 main 函式开始。不过应该属於他的东西还会是 他的，例如：Process ID、File descriptor 等等。 想像一下，如果今天 LxxxxCxxxx 失忆了，然後有一个很强的催眠师 透过一些暗示，让 LxxxxCxxxx 有外星人的记忆。於是我就完全忘了 我是地球人，也忘了我写过这一篇教学文，也忘了我等一下要去睡觉。 我说起话来像是外星人，我的动作看起来像是外星人，事实上，我就 是外星人。不过我身边的东西，例如身分证上的身分证字号还是一样， 我手边的书还是 Alho 的 Compiler，不会因为很强的催眠师而改变。 如果今天，有一个 process 本来他的记忆是 a.out，不过不久之後 被 exec* 系统呼叫载入 /bin/ls。於是这个 process 完全忘了他 是 a.out，忘了他曾经呼叫过 exec*。他的输出结果像是 /bin/ls， 他的执行步骤看起来像是 /bin/ls，事实上他就是 /bin/ls。不过 这个 process 有的东西：Process ID、File Descriptor 不会因为 exec 而改变。 所以上面的 red.c 在 exec* 载入程式之後，如果直接把 fd[1] 当作 stdout，则所有的标准输出就会被写到我们开启的档案。 XD 还有，眼尖的同学可能已经注意到了！我上面所有的 exec 都加上了 *， 而在我的程式码之中，我呼叫的是 execv 的函式。事实上，为了方便 programmer 使用，exec* 有很多变体，如 execl, execv, execle, execve, execlp, execvp, execlp。他们的差异是： 结尾有 l 的，就是函式长度不固定(va_arg)的版本。这方便我们在 程式之中直接呼叫 exec，例如： execl("/bin/echo", "echo", "abc", "def", "ghi", (char *)0); 注意，一定要有一个 0 做为 argument 的结尾。如果是用以上的系 统呼叫，argv[0] 会是 "echo"，argv[1] 会是 "abc"，等等，而 argc 会是 4。 结尾有 v 的，就是 char ** 的版本。一样地，char ** 的最後一个 参数要以 0 做为结尾。 char *argvs[] = { "echo", "abc", "def", "ghi", 0 }; execv("/bin/echo", argvs); 结尾有 e 的就是可以设定 environment variable 的版本。例如： extern char **environ; int main() { execle("/bin/echo", "echo", "abc", "def", "ghi", (char *)0, environ); } 结尾有 p 的就是会自动去从 $PATH 找出 executable 的版本。 /*file*/ execlp("echo", "echo", "abc", "def", "ghi", (char *)0); execlp("ls", "ls", "-al", (char *)0); ref. http://www.opengroup.org/onlinepubs/000095399/functions/exec.html fork 建立一个 Child Process 看完上面的 exec 你可能会想：不对呀，我不过是想要呼叫其他的 程式，怎麽我就因此被取代了？ 这时 fork 就要派上用场了！ fork 这一个函式的功用就是完整地复制一份 Process，不论是他们的 Calling stack、Register、File descriptor 等等全部都复制一份， 然後回传 Process ID。这里，我们说完整的意思是这二个 Process 的执行的状态(Global Variable、Local Variable、Function Call 等等)几乎可以直接互换。而 File Descriptor 也会被 dup 一份。 唯一的不同就是呼叫 fork 的 Process，也就是正本，其 fork 函式 的回传值会是复本的 Process ID。而复本的 fork 的回传值一定是 0。 (如果没有错误产生的话) 我们可以把 fork 想像成一个很强大的人类复制机。今天 LoganChien 可以 fork 出一个 LxxxxCxxxx，他们二个不论是 DNA、记忆、外型都 一样。甚至包含按下复制前一刻的记忆都一样。唯一的不同就是我知 道复制人是 LxxxxCxxxx，而 LxxxxCxxxx 只知道他是一个复制人，不 知道他是由 LoganChien 复制出来的。 为什麽要这样设计？答案很简单！因为不这样设计，LxxxxCxxxx 不就 造反了？LoganChien 说 LxxxxCxxxx 是他的复制人，LxxxxCxxxx 说 LoganChien 是他的复制人。 而作业系统中的 Process 也是这样。我们 fork 之後，会产生二个 Process。基本上这二个 Process 是很像是，除了 Process ID 与 fork 的回传值，基本上这二个 Process 是一样的！所以为了让 Parent Process 可以掌控 Child Process，所以 Parent Process 的 fork 回传值是 Child Process 的 Process ID。而 Child Process 只会得到 0。 这样设计还有另一个用意，我们可以再同一份程式码处理 Parent Process 与 Child Process 的情况。我们通常是这样写 fork 的函式呼叫的： /* 程式码: fork.c */ #include <stdio.h> #include <stdlib.h> #include <sys/wait.h> /* Required for wait() */ #include <unistd.h> int main() { pid_t proc = fork(); /* Create Child Process */ if (proc < 0) /* Failed to Create Child Process */ { printf("Error: Unable to fork.\n"); exit(EXIT_FAILURE); } else if (proc == 0) /* In the Child Process */ { printf("In the child process.\n"); exit(25); } else /* In the Parent Process */ { printf("In the parent process.\n"); int status = -1; wait(&status); /* Wait for Child Process */ printf("The Child Process Returned with %d\n", WEXITSTATUS(status)); } return EXIT_SUCCESS; } 我们会先用 fork 建立一个 Child Process。之後二个 Process 就 是各跑各的，除非 Parent Process 用 wait 来等待 Child Process 执行完毕。当然，照 POSIX API 的惯例，fork() 回传负的值，就代 表有错误发生。 在我们有了 fork 与 exec* 之後，我们就可以执行、呼叫另一个可 执行档了！原理很简单，我们只要在 Child Process 呼叫 exec* 就没有问题了。范例如下： #include <stdio.h> #include <stdlib.h> #include <sys/wait.h> #include <unistd.h> int main() { printf("Let's invoke ls command!\n\n"); pid_t proc = fork(); if (proc < 0) { printf("Error: Unable to fork.\n"); exit(EXIT_FAILURE); } else if (proc == 0) { if (execlp("ls", "ls", "-al", (char *)0) == -1) { printf("Error: Unable to load the executable.\n"); exit(EXIT_FAILURE); } /* NEVER REACHED */ } else { int status = -1; wait(&status); printf("\nThe exit code of ls is %d.\n", WEXITSTATUS(status)); } return EXIT_SUCCESS; } (未完，待续) -- LoganChien ----- from PTT2 个板 logan ----- --

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