第一章 exec系统调用初探

1.exec系统调用的作用

exec系统调用使用<从文件系统中存储的文件所加载的新内存映像>替换<调用进程的内存>。

这句话有点拗口，简单来说，exec系统调用的作用是替换调用进程的内存。当一个进程调用exec系统调用时，会指定一个文件名，根据该文件名，找到可执行文件，并用这个可执行文件来取代调用进程的内容。也就是在调用进程内部执行一个可执行文件。

2.exec系统调用在xv-6中的声明和定义

2.1exec系统调用声明

int exec(char *path, char **argv);

接受两个参数，其中path指定可执行文件的位置（包括文件名），argv是字符串参数数组。如下例

char* argv[3];
argv[0] = "echo";
argv[1] = "hello";
argv[2] = 0;
exec("/bin/echo", argv);
//标准输出会打印hello

这个代码片段将调用程序替换为了参数列表为echo hello的/bin/echo程序运行，多数程序忽略参数数组中的第一个元素，它通常是程序名。

2.2exec系统调用定义

exec系统调用定义在文件kernel/exec.c中，下面来看具体代码，大致分为如下几个部分。有很多细节现在无法深究，等到后面章节结束后再回来看。

char *s, *last;
  int i, off;
  uint64 argc, sz = 0, sp, ustack[MAXARG], stackbase;
  struct elfhdr elf;
  struct inode *ip;
  struct proghdr ph;
  pagetable_t pagetable = 0, oldpagetable;
  struct proc *p = myproc();

  begin_op();

  if((ip = namei(path)) == 0){
    end_op();
    return -1;
  }
  ilock(ip);

// Check ELF header
  if(readi(ip, 0, (uint64)&elf, 0, sizeof(elf)) != sizeof(elf))
    goto bad;

  if(elf.magic != ELF_MAGIC)
    goto bad;

  if((pagetable = proc_pagetable(p)) == 0)
    goto bad;

// Load program into memory.
  for(i=0, off=elf.phoff; i<elf.phnum; i++, off+=sizeof(ph)){
    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;
    if(ph.vaddr % PGSIZE != 0)
      goto bad;
    uint64 sz1;
    if((sz1 = uvmalloc(pagetable, sz, ph.vaddr + ph.memsz, flags2perm(ph.flags))) == 0)
      goto bad;
    sz = sz1;
    if(loadseg(pagetable, ph.vaddr, ip, ph.off, ph.filesz) < 0)
      goto bad;
  }
  iunlockput(ip);
  end_op();
  ip = 0;

  p = myproc();
  uint64 oldsz = p->sz;

  // Allocate two pages at the next page boundary.
  // Make the first inaccessible as a stack guard.
  // Use the second as the user stack.
  sz = PGROUNDUP(sz);
  uint64 sz1;
  if((sz1 = uvmalloc(pagetable, sz, sz + 2*PGSIZE, PTE_W)) == 0)
    goto bad;
  sz = sz1;
  uvmclear(pagetable, sz-2*PGSIZE);
  sp = sz;
  stackbase = sp - PGSIZE;

  // Push argument strings, prepare rest of stack in ustack.
  for(argc = 0; argv[argc]; argc++) {
    if(argc >= MAXARG)
      goto bad;
    sp -= strlen(argv[argc]) + 1;
    sp -= sp % 16; // riscv sp must be 16-byte aligned
    if(sp < stackbase)
      goto bad;
    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.
  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.
  p->trapframe->a1 = sp;

  // Save program name for debugging.
  for(last=s=path; *s; s++)
    if(*s == '/')
      last = s+1;
  safestrcpy(p->name, last, sizeof(p->name));

// Commit to the user image.
  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);

  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;

3.exec系统调用的应用

在xv-6中，运行第一个进程的就是通过使用exec系统调用；在shell中通过fork和exec配合使用执行用户程序，fork分配父内存的子副本所需的内存，exec分配足够的内存来保存可执行文件。