exec系统调用 && 进程的加载过程

exec系统调用会从指定的文件中读取并加载指令，并替代当前调用进程的指令。从某种程度上来说，这样相当于丢弃了调用进程的内存，并开始执行新加载的指令。

exec系统调用会保留当前的文件描述符表单。所以任何在exec系统调用之前的文件描述符，例如0，1，2等。它们在新的程序中表示相同的东西。
通常来说exec系统调用不会返回，因为exec会完全替换当前进程的内存，相当于当前进程不复存在了，所以exec系统调用已经没有地方能返回了。

在运行shell时，我们不希望系统调用替代了Shell进程，实际上，Shell会执行fork，这是一个非常常见的Unix程序调用风格。对于那些想要运行程序，但是还希望能拿回控制权的场景，可以先执行fork系统调用，然后在子进程中调用exec。

以shell程序运行ls命令为例

int main(){

	int pid;

  ...

	if(fork() == 0){

    //子进程操作

    //加载新的程序后当前的内容将全部被舍弃,所以不会执行到下面打印函数

		exec("ls","-al");

	} else {

		//父进程操作

		do something...

	}

  printf("finish");

}

fork函数和exec函数共同组成了新进程的加载方式，这也是计算机创建新进程的一般方式（也许是唯一的方式）

下面代码展示了一个进程的内存映像究竟是如何一步一步建立的，还涉及了一些关于ELF可执行文件的知识(见附)。

希望能通过代码，让大家认识到进程实际上并没有那么神秘、复杂，对计算机的进程模型能有个更深的认识。

代码解析

int

exec(char *path, char **argv)

{

  char *s, *last;

  int i, off;

  uint64 argc, sz = 0, sp, ustack[MAXARG+1], stackbase;

  struct elfhdr elf;

  struct inode *ip;

  struct proghdr ph;

  pagetable_t pagetable = 0, oldpagetable;

  struct proc *p = myproc();

  begin_op();

	//获取path路径处的文件，即读取要加载的可执行文件

  if((ip = namei(path)) == 0){

    end_op();

    return -1;

  }

  ilock(ip);

  // Check ELF header

  // 先从文件中读取elf信息

  if(readi(ip, 0, (uint64)&elf, 0, sizeof(elf)) != sizeof(elf))

    goto bad;

  if(elf.magic != ELF_MAGIC)

    goto bad;

  //创建一个新的页表

  if((pagetable = proc_pagetable(p)) == 0)

    goto bad;

  // Load program into memory.

  // 借助elf中的phoff属性(program section header off 程序段头结点在elf文件中的偏移量)

  // 将程序所有的section写入其指定位置(在可执行程序编译时，其就指定好了哪个段在哪个逻辑地址)

  for(i=0, off=elf.phoff; i<elf.phnum; i++, off+=sizeof(ph)){

    //从文件中读取一个section header到ph中

    if(readi(ip, 0, (uint64)&ph, off, sizeof(ph)) != sizeof(ph))

      goto bad;

    if(ph.type != ELF_PROG_LOAD)

      continue;

    if(ph.memsz < ph.filesz)

      goto bad;

    if(ph.vaddr + ph.memsz < ph.vaddr)

      goto bad;

    uint64 sz1;

    //按照section header中的逻辑地址(ph.vaddr)和段长信息，在页表中开辟新的空间

    if((sz1 = uvmalloc(pagetable, sz, ph.vaddr + ph.memsz)) == 0)

      goto bad;

    sz = sz1;

    if(ph.vaddr % PGSIZE != 0)

      goto bad;

    // Load a program segment into pagetable at virtual address va.

    // 将segment写入到页表(即内存)中的对应位置

    if(loadseg(pagetable, ph.vaddr, ip, ph.off, ph.filesz) < 0)

      goto bad;

  }

  iunlockput(ip);

  end_op();

  ip = 0;

  //将可执行文件的内容全部写入内存后，开始创建堆栈

  p = myproc();

  uint64 oldsz = p->sz;

  // Allocate two pages at the next page boundary.

  // Use the second as the user stack.

  sz = PGROUNDUP(sz);

  uint64 sz1;

  //分配两个page，第二个用来充当用户栈

  if((sz1 = uvmalloc(pagetable, sz, sz + 2*PGSIZE)) == 0)

    goto bad;

  sz = sz1;

  uvmclear(pagetable, sz-2*PGSIZE);

  sp = sz;

  stackbase = sp - PGSIZE;

  // Push argument strings, prepare rest of stack in ustack.

  // 把执行参数写入到栈中

  for(argc = 0; argv[argc]; argc++) {

    if(argc >= MAXARG)

      goto bad;

    sp -= strlen(argv[argc]) + 1;

    //内存对齐

    sp -= sp % 16; // riscv sp must be 16-byte aligned

    if(sp < stackbase)

      goto bad;

    //拷贝到栈中

    if(copyout(pagetable, sp, argv[argc], strlen(argv[argc]) + 1) < 0)

      goto bad;

    ustack[argc] = sp;

  }

  ustack[argc] = 0;

  // push the array of argv[] pointers.

  //把参数数组的指针拷入到栈中

  sp -= (argc+1) * sizeof(uint64);

  sp -= sp % 16;

  if(sp < stackbase)

    goto bad;

  if(copyout(pagetable, sp, (char *)ustack, (argc+1)*sizeof(uint64)) < 0)

    goto bad;

  // arguments to user main(argc, argv)

  // argc is returned via the system call return

  // value, which goes in a0.

  // 把数组指针(即参数列表)写入到a1寄存器(该寄存器存储了函数第二个参数)

  p->trapframe->a1 = sp;

  // Save program name for debugging.

  //把文件名设置成进程名

  for(last=s=path; *s; s++)

    if(*s == '/')

      last = s+1;

  safestrcpy(p->name, last, sizeof(p->name));

  // Commit to the user image.

  // 设置进程属性，并且将相应的寄存器置为初始状态

  oldpagetable = p->pagetable;

  p->pagetable = pagetable;

  p->sz = sz;

  p->trapframe->epc = elf.entry;  // initial program counter = main

  p->trapframe->sp = sp; // initial stack pointer

  proc_freepagetable(oldpagetable, oldsz);

  //A0用来存储返回值/函数参数，

  return argc; // this ends up in a0, the first argument to main(argc, argv)

 bad:

  if(pagetable)

    proc_freepagetable(pagetable, sz);

  if(ip){

    iunlockput(ip);

    end_op();

  }

  return -1;

}

附：

巴特西

exec系统调用 && 进程的加载过程

代码解析

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