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[shell問答錄]:命令、進程、子shell...

←手機掃碼閱讀     火星人 @ 2014-03-24 , reply:0

作者:woodie

前些天在CU上討論一個統計正在執行的腳本數量的問題過程中,發現自己對於shell如何執行命令方面了解還是甚少,慚愧慚愧...期間得到waker兄的指點,在此表示感謝!他的說法除了個別地方不太準確外,基本上是正確的。這些天抽時間找了些資料研究了一下,又學到了不少!這裡把我的一點心得以問答的形式貼出來,供大家參考。小弟才疏學淺,錯誤的地方一定很多,歡迎大家拍磚、指正!

Q1: shell如何執行「簡單」命令?

A: 這裡的簡單命令和bash參考手冊里的含義相同,形式上一般是:命令的名稱加上它的參數。有三種不同的簡單命令:
1.內置命令(builtin)
是shell解釋程序內建的,有shell直接執行,不需要派生新的進程。有一些內部命令可以用來改變當前的shell環境,如:
cd /path
var=value
read var
export var
...

2.外部命令("external command" or "disk command")
二進位可執行文件,需要由磁碟裝入內存執行。會派生新的進程,shell解釋程序會調用fork自身的一個拷貝,然後用exec系列函數來執行外部命令,然後外部命令就取代了先前fork的子shell。

3.shell腳本(script)
shell解釋程序會fork+exec執行這個腳本命令,在exec調用中內核會檢查腳本的第一行(如:#!/bin/sh),找到用來執行腳本的解釋程序,然後裝入這個解釋程序,由它解釋執行腳本程序。解釋程序可能有很多種,各種shell(Bourne shell,Korn shell cshell,rc及其變體ash,dash,bash,zshell,pdksh,tcsh,es...),awk,tcl/tk,expect,perl,python,等等。在此解釋程序顯然是當前shell的子進程。如果這個解釋程序與當前使用的shell是同一種shell,比如都是bash,那麼它就是當前shell的子shell,腳本中的命令都是在子shell環境中執行的,不會影響當前shell的環境。


Q2: shell腳本是否作為單獨的一個進程執行?

A: 不是,shell腳本本身不能作為一個進程。如上面講的,shell腳本由一個shell解釋程序來解釋、運行其中的命令。這個shell解釋程序是單獨的一個進程,腳本中的外部命令也都作為獨立進程依次被運行。這也就是為什麼ps不能找到正在運行的腳本的名字的原因了。作為一個替代方案,你可以這樣調用腳本:
sh script-name
這時shell解釋程序「sh」作為一個外部命令被顯式地調用,而script-name作為該命令的命令行參數可以被我們ps到。
另外,如果你的系統上有pidof命令可用,它倒是可以找出shell腳本進程(實際上應該是執行shell腳本的子shell進程)的進程ID:
pidof -x script-name


Q3: shell何時在子shell中執行命令?

A: 在此我們主要討論Bourne shell及其兼容shell。在許多情況下shell會在子shell中執行命令:
1.(...)結構
小括弧內的命令會在一個子shell環境中執行,命令執行的結果不會影響當前的shell環境。需要注意是此時變數$$會顯示當前shell的進程id,而不是子shell的進程id。
參考:
{...;}結構中的命令在當前shell中執行,(內部)命令執行的結果會影響當前的shell環境。

2.後台執行或非同步執行
command&
命令由一個子shell在後台執行,當前shell立即取得控制等候用戶輸入。後台命令和當前shell的執行是并行的,但沒有互相的依賴、等待關係,所以是非同步的并行。

3.命令替換
`command`(Bourn shell及兼容shell/csh)
$(command)(在ksh/bash/zsh中可用)
將command命令執行的標準輸出代換到當前的命令行。command在子shell環境中執行,結果不會影響當前的shell環境。

4.管道(不同的shell處理不同)
cmd1|cmd2
cmd1和cmd2并行執行,並且相互有依賴關係,cmd2的標準輸入來自cmd1的標準輸出,二者是「同步」的。
對管道的處理不同的shell實現的方式不同。
在linux環境下大多數shell(bash/pdksh/ash/dash等,除了zshell例外)都將管道中所有的命令在子shell環境中執行,命令執行的結果不會影響當前的shell環境。
Korn shell的較新的版本(ksh93以後)比較特殊,管道最後一級的命令是在當前shell執行的。這是一個feature而非BUG,在POSIX標準中也是允許的。這樣就使下面的命令結構成為可能:
command|read var
由於read var(read是一個內部命令)在當前shell中執行,var的值在當前shell就是可用的。
反之bash/pdksh/ash/dash中read var在子shell環境中執行,var讀到的值無法傳遞到當前shell,所以變數var無法取得期望的值。類似這樣的問題在各種論壇和news group中經常被問到。個人認為command|read var的結構很清晰,並且合乎邏輯,所以我認為Korn shell的這個feature很不錯。可惜不是所有的shell都是這樣實現的。:(如開源的pdksh就是在子shell執行管道的每一級命令。
Korn shell對管道的處理還有一個特殊的地方,就是管道如果在後台執行的話,管道前面的命令會由最後一級的命令派生,而不是由當前shell派生出來。據說Bourne shell也有這個特點(標準的Bourne shell沒有測試環境,感興趣的朋友有條件的可以自行驗證)。但是他們的開源模仿者,pdksh和ash卻不是這樣處理。
最特殊的是zshell,比較新的zshell實現(好像至少3.0.5以上)會在當前shell中執行管道中的每一級命令,不僅僅是最後一條。每一條命令都由當前shell派生,在後台執行時也是一樣。可見在子sehll中執行管道命令並不是不得已的做法,大概只是因為實現上比較方便或者這樣的處理已經成為unix的傳統之一了吧。;-)
讓我們總結一下,不同的shell對管道命令的處理可能不同。有的shell中command|read var這樣的結構是ok的,但我們的代碼出於兼容性的緣故不能依賴這一點,最好能避免類似的代碼。

5.進程替換(僅bash/zsh中,非POSIX兼容)
<(...)
>(...)
與管道有點類似,例子:cmd1 <(cmd2) >(cmd3), cmd1, cmd2, cmd3的執行是同步并行的。
<(command)形式可以用在任何命令行中需要填寫輸入文件名的地方,command的標準輸出會被該命令當作一個輸入文件讀入。
>(command)形式可以用在任何命令行中需要填寫輸出文件的地方,該命令的輸出會被command作為標準輸入讀入。
兩種形式中的command都在子shell環境中執行,結果不會影響當前的shell環境。

6.if或while命令塊的輸入輸出重定向
在SVR4.2的Bourne shell中對此情況會fork一個子shell執行if塊和while塊中的命令;在linux下似乎其它的shell中都不這樣處理。

7.協進程(ksh)
只有Korn shell和pdksh有協進程的機制(其它shell中可以用命名管道來模擬)。類似於普通的後台命令,協進程在後台同步運行,所以必須在子shell中運行。協進程與後台命令不同的是它要和前台進程(使用read -p和print -p)進行交互,而後者一般只是簡單地非同步運行。


Q4: 既然在當前shell中執行命令也會派生子shell,那麼它與在子shell中執行命令又有什麼區別呢?

A: 這種說法不準確。
在當前shell中執行內部命令不會派生子shell,因此有些內部命令才能夠改變當前的shell執行環境。
在當前shell中執行外部命令或腳本時會派生子shell,所以這時命令的執行不會影響當前 的shell環境。注意:子shell中執行的內部命令只會改變子shell的執行環境,而不會改變當前shell(父shell)的環境。


Q5: 怎樣把子shell中的變數傳回父shell?

A: 例如(echo "$a") | read b不能工作,如何找到一個替代方案?下面給出一些可能的方案:
1.使用臨時文件
...
#in subshell
a=100
echo "$a">tmpfile
...
#in parent
read b
2.使用命名管道
mkfifo pipef
(...
echo "$a" > pipef
...)
read b
3.使用coprocess(ksh)
( echo "$a" |&)
read -p b

4.使用命令替換
b=`echo "$a"`

5.使用eval命令
eval `echo "b=$a"`

6.使用here document
read b < `echo "$a"`
END

7.使用here string(bash/pdksh)
read b <<<`echo "$a"`

8.不用子shell,用.命令或source命令執行腳本。
即在當前shell環境下執行腳本,沒有子shell,也就沒有了子shell的煩惱。:)

解決的方法還不止於此,其它的進程間通信手段應該也能使用,這有待於大家一起發掘了。

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