[shell問答錄]：命令、程式、子shell...(轉)

[shell問答錄]：命令、程式、子shell...(轉)[@more@]作者:woodie

前些天在CU上討論一個統計正在執行的指令碼數量的問題過程中，發現自己對於shell如何執行命令方面瞭解還是甚少，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參考手冊裡的含義相同，形式上一般是：命令的名稱加上它的引數。有三種不同的簡單命令：
1.內建命令(builtin)
是shell解釋程式內建的，有shell直接執行，不需要派生新的程式。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")
二進位制可執行檔案，需要由磁碟裝入記憶體執行。會派生新的程式，shell解釋程式會呼叫fork自身的一個複製，然後用exec系列函式來執行外部命令，然後外部命令就取代了先前fork的子shell。

3.shell指令碼(script)
shell解釋程式會fork+exec執行這個指令碼命令，在exec呼叫中核心會檢查指令碼的第一行(如:#!/bin/sh)，找到用來執行指令碼的解釋程式，然後裝入這個解釋程式，由它解釋執行指令碼程式。解釋程式可能有很多種，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。在此解釋程式顯然是當前shell的子程式。如果這個解釋程式與當前使用的shell是同一種shell，比如都是bash，那麼它就是當前shell的子shell，指令碼中的命令都是在子shell環境中執行的，不會影響當前shell的環境。


Q2: shell指令碼是否作為單獨的一個程式執行？

A: 不是，shell指令碼本身不能作為一個程式。如上面講的，shell指令碼由一個shell解釋程式來解釋、執行其中的命令。這個shell解釋程式是單獨的一個程式，指令碼中的外部命令也都作為獨立程式依次被執行。這也就是為什麼ps不能找到正在執行的指令碼的名字的原因了。作為一個替代方案，你可以這樣呼叫指令碼：
sh script-name
這時shell解釋程式“sh”作為一個外部命令被顯式地呼叫，而script-name作為該命令的命令列引數可以被我們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指令碼程式(實際上應該是執行shell指令碼的子shell程式)的程式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及其相容shell。在許多情況下shell會在子shell中執行命令：
1.(...)結構
小括號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的程式id，而不是子shell的程式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.後臺執行或非同步執行
command&
命令由一個子shell在後臺執行，當前shell立即取得控制等候使用者輸入。後臺命令和當前shell的執行是並行的，但沒有互相的依賴、等待關係，所以是非同步的並行。

3.命令替換
`command`(Bourn shell及相容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列。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並行執行，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，就是管道如果在後臺執行的話，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，在後臺執行時也是一樣。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，但我們的程式碼出於相容性的緣故不能依賴這一點，最好能避免類似的程式碼。

5.程式替換（僅bash/zsh中，非POSIX相容）
>(...)
與管道有點類似，例子：cmd1 (cmd3)， cmd1， cmd2， cmd3的執行是同步並行的。
>(command)形式可以用在任何命令列中需要填寫輸出檔案的地方，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.協程式(ksh)
只有Korn shell和pdksh有協程式的機制(其它shell中可以用命名管道來模擬)。類似於普通的後臺命令，協程式在後臺同步執行，所以必須在子shell中執行。協程式與後臺命令不同的是它要和前臺程式(使用read -p和print -p)進行互動，而後者一般只是簡單地非同步執行。


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中執行外部命令或指令碼時會派生子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 "$a") | read b不能工作，如何找到一個替代方案？下面給出一些可能的方案：
1.使用臨時檔案
...
#in subshell
a=100
echo "$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 <<
8.不用子shell，用.命令或source命令執行指令碼。
即在當前shell環境下執行指令碼，沒有子shell，也就沒有了子shell的煩惱。:)

解決的方法還不止於此，其它的程式間通訊手段應該也能使用，這有待於大家一起發掘了。