C/C++调用外部程序

C/C++
留言

C/C++中调用外部程序的接口：exec系列函数、system、popen

一、exec库函数

基于系统调用execve()，提供了一系列冠以exec来命名的上层库函数，虽然接口方式各异，但功能一致。

1.1 执行新程序：execve()

系统调用execve()可以将新的程序加载到调用者进程的内存空间。这一操作过程中，进程的栈、数据以及堆段会被新的程序相应部件替换。一般由fork()生成的子进程对execve()的调用最常见。

execve()系统调用定义如下：

text
1
2
3
4
#include <unistd.h>

int execve(const char *pathname, char *const argv[], char *const envp[]);
/* 成功不返回，失败返回-1 */

execve()系统调用参数说明：

  • pathname是准备载入当前进程空间的新程序的路径名。pathname可以是绝对路径，也可以是相对调用进程当前工作目录（current working directory）的相对路径
  • argv指定了传递给新进程的命令行参数。argv是由字符串指针组成的列表，并且以NULL值结尾。其中argv[0]的值对应于命令名，通常来说与pathname中的basename（路径的最后部分）值相同。
  • envp指定了新程序的环境列表。对应于新程序的environ数组，也是由字符串指针组成的列表，格式为name=value，并且以NULL值结尾。

调用execve()之后,因为同一进程依然存在，所以进程ID不变。

1.2 exec()库函数

基于系统调用，库函数提供了多种API选择，这些API都构建于execve()之上，只是在为新程序指定程序名，参数列表以及环境变量的方式上有所不同。

exec()库函数API如下：

text
1
2
3
4
5
6
7
8
#include <unistd.h>

int execle(const char *pathname, const char * arg, ... /*, (char*)NULL, char *const envp[] */);
int execlp(const char *filename, const char * arg, ... /*, (char*)NULL */);
int execvp(const char *filename, char *const argv[]);
int execv(const char *pathname, char *const argv[]);
int execl(const char *pathname, const char * arg, ... /*, (char*)NULL */);
/* 成功不返回，失败返回-1 */

exec()库函数之间的差异总结

函数 对程序文件的描述（-,p） 对参数的描述（v,l） 环境变量来源（e,-）
execve() 路径名 数组 envp参数
execle() 路径名 列表 envp参数
execlp() 文件名+PATH 列表 调用者的environ
execvp() 文件名+PATH 数据 调用者的environ
execv() 路径名 数组 调用者的environ
execl() 路径名 列表 调用者的environ

fexecve()执行由文件描述符指定的程序。有些应用程序需要打开某个文件，通过执行校验和之后再运行该程序，这一场景就比较适合使用fexecve()，该接口定义如下：

text
1
2
3
4
5
#define _GNU_SOURCE
#include <unistd.h>

int fexecve(int fd, char *const argv[], char *const envp[]);
/* 成功不返回，失败返回-1 */

1.3 解释器脚本

解释器(interpreter)是能够读取并执行文本格式命令的程序。（相形之下，编译器是将源代码译为可在真实或者虚拟机上执行的机器语言）解释器通常可以从被称为脚本的文件中读取和执行命令。

UNIX内核运行解释器脚本的方式与二进制程序无异，前提是：1、必须赋予脚本可执行权限；2、文件的起始行必须执行运行脚本的解释器路径名，格式如下：

text
1
2
3
4
5
#! interpreter
# 其中
# 1、#!必须置于改行起始处，这两个字符可以与解释器的路径名使用空格分割
# 2、在解释解释器路径名时不会使用环境变量PATH，所以解释器路径一般使用绝对路径
# 3、解释器路径名后可以跟随可选参数，二者以空格分隔，但是可选参数中不应包含空格（Linux系统不会将对可选参数中的中的空格做特殊解释，从参数起始到行尾视为一个单词，并且要求脚本的#!起始行不超过127个字节，包括换行符）

当调用execve()来运行脚本时，execve()如果检测到传入的文件以两字节序列开始，就会析取该行剩余的部分（路径名和参数）。然后按照如下格式执行解释器程序：

text
1
interpreter-path [optional-arg] script-path arg

interpreter-path(解释器路径)和optional-arg(可选参数)都取自脚本的#!行，script-path时传递给execve()的路径名，arg是通过argv传递给execve()的参数列表（argv[0]排除在外）。

二、执行shell命令：system

程序可以通过调用system()函数来执行任意的shell命令，函数定义如下：

text
1
2
3
4
5
6
7
8
#include <stdlib.h>
int system(const char*command);

# 返回值定义如下
# 1、当command命令为NULL指针时，如果shell可用则system()返回非0值，如果不可用则返回0
# 2、如果无法创建子进程或者无法获取其终止状态，system返回-1
# 3、如果子进程不能执行shell，则system返回值与子shell调用_exit(127)终止时一样
# 4、如果所有的系统调用都成功，system返回执行command的子shell的终止状态。shell的终止状态是执行最后一条命令时的退出状态；如果命令被信号所杀，大多数shell会以128+n的值退出，其中n为信号编号

函数system()创建一个子进程来运行shell，并以之执行命令command。所以使用system()函数运行命令至少会创建两个进程，一个用于运行shell，另一个或者多个用于运行shell所执行的命令（如果对效率或者速度有要求，最好直接调用fork()和exec()来执行既定程序）。

三、通过管道与shell命令通信popen

管道的一个常见的用途是执行shell命令并读取或向其发送一些输入。popen()和pclose()简化了这个任务，函数定义如下：

text
1
2
3
4
5
6
#include <stdio.h>

FILE *popen(const char *command, const char *mode);
/* 成功时返回文件流指针，失败时返回NULL并设置errno */
int pclose(FILE *stream);
/* 成功时返回子进程结束状态，失败返回-1 */

popen()函数创建了一个管道，然后创建了一个子进程来执行shell，而shell又创建了一个子进程来执行command字符串。其中mode是一个字符串，它确定调用进程是从管道中读取数据（mode是r）或者是写入到管道中（mode是w），由于管道是单向的，所以无法在执行的command中进行双向通信。

与使用pipe()创建的管道一样，当从管道中读取数据时，调用进程在command关闭管道的写入端之后会看到文件结束；当向管道写入数据时，如果command已经关闭了管道的读取端，那么调用进程会收到SIGPIPE并的到EPIPE错误。

当IO结束之后可以使用pclose()函数关闭管道并等待子进程中的shell终止（不应该使用fclose()函数，因为它不会等待子进程）。pclose()在成功时会返回子进程中shell的终止状态（即shell命令执行最后一条命令的终止状态，除非是被信号杀死的）。与system()一样，如果无法执行shell，pclose()会返回一个值就像是子进程中的shell调用_exit(127)来终止一样。如果发生了其它错误，那么pclose()返回-1。

参考文献

【0】Linux/UNIX系统编程手册