Linux下可以替换运行中的程序么?

今天被朋友问及“Linux下可以替换运行中的程序么?”,以前依稀记得Linux下是可以的(而Windows就不让),于是随口答道“OK”。结果朋友发来一个执行结果:(test正在运行中)

# cp test2 test
cp: cannot create regular file `test': Text file busy

看起来是程序被占用,无法覆盖。于是自己又再做了几个实验:

(1)先rm删除正在运行的test,然后cp test2 test就没有错误了。
(2)先mv改名正在运行的test,然后cp test2 test也没有问题。

查了查资料并动手分析了一下,找到了比较满意的解释。cp并不改变目标文件的inode,事实上它的实现是这样的:

# strace cp test2 test  2>&1 | grep open.*test
open("test2", O_RDONLY|O_LARGEFILE)     = 3
open("test", O_WRONLY|O_TRUNC|O_LARGEFILE) = 4

我原以为cp的实现是“rm + open(O_CREAT)”,不过现在想想上面的实现方式才是最可靠的(保证了时序安全和目标文件的属性)。这也可以解释为什么cp的目标文件会继承被覆盖文件的属性而非源文件。

Linux由于Demand Paging机制的关系,必须确保正在运行中的程序镜像(注意,并非文件本身)不被意外修改,因此内核在启动程序后会锁定这个程序镜像的inode。这就是为什么cp在用“O_WRONLY|O_TRUNC”模式open目标文件时会失败。而先rm再cp的话,新文件的inode其实已经改变了,原inode并没有被真正删除,直到内核释放对它的引用。同理,mv只是改变了文件名,其inode不变,新文件使用了新的inode。

问题到这里已经水落石出,不过刨根究底的个性驱使我再做了以下一组实验,没想到结果完全出乎我意料之外!

写了一个简单的测试程序:

#include <stdio.h>

int main(int argc, char * argv[])
{
    foo();  // An export function by libtest.so.
    sleep(1000);
    return 0;
}

foo()是另一个测试动态库libtest.so的导出接口,只打印一行提示就返回。接下来我把上面对执行文件的测试用例对动态库又做了一遍:

(1)cp libtest2.so libtest.so可以直接覆盖已加载的动态库。
(2)先rm删除已加载的libtest.so,然后cp libtest2.so libtest.so成功。
(3)先mv改名已加载的libtest.so,然后cp libtest2.so libtest.so成功。

除了第一个用例外,结果相同。这样看来,动态库被加载时难道ld并没有锁定inode?不过想想也可以宽恕,毕竟ld也是用户态程序,没有权利去锁定inode,也不应与内核的文件系统底层实现耦合。

到这里都还算在情理之中,看起来Linux也都处理的很好。不过还剩下一个问题:动态库被以cp的方式覆盖后难道不会和Demand Paging机制产生冲突?

在思考这个问题的过程中,我意识到前面这个测试程序的一个致命漏洞,稍作修改如下:

#include <stdio.h>

int main(int argc, char * argv[])
{
loop:
    foo();  // An export function by libtest.so.
    sleep(1);
    goto loop;
    return 0;
}

这次,再执行上面的三个用例后发现,“cp libtest2.so libtest.so”虽然仍可直接覆盖已加载的动态库,但是测试程序马上出现了“Segmentation fault”。而后两个用例结果不变。由此可见,想要安全的替换已加载的动态库,还是用“笨拙”的“rm + cp”吧,看似捷径的“cp覆盖”会直接葬送掉你的程序……

看来,我再一次低估了Linux的健壮性,看似符合逻辑的流程也可能会带来灾难性的后果;“rm & cp”与“cp覆盖”背后所隐藏的底层差异却可以成为你的救星。Linux用得越久越是让人觉得这是一块充满了荆棘和陷阱的原始丛林,只有步步为营实踏前行才能走的更远。

注:以上实验基于SuSE Linux Enterprise Server 9 SP1(Linux 2.6.5 & glibc 2.3.3)。

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