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  • shell浅谈之九子shell与进程处理

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    一、简介

          Linux是一种用户控制的多作业操作系统，系统允许多个系统用户同时提交作业，而一个系统用户又可能用多个shell登录，每个系统用户可以用一个shell提交多个作业。了解Bash Shell在多作业管理和进程处理方面的命名和机制有助于理解多用户、多作业的系统。

    二、详解

    1、子Shell

    （1）父子Shell是相对的，它描述了两个Shell进程的fork关系，父Shell指在控制终端或xterm窗口给出提示符的进程，子Shell是由父Shell创建的进程。父Shell创建子Shell调用的是fork函数。

          Shell命令可以分为内建命令（Shell本身执行的命令）和外部命令（fork创建出来的子shell执行的命名），内建命令不创建子Shell而外部命令创建子Shell。

    （2） 内建命令是包含在Shell工具包中的命令，其中保留字对Shell有特殊含义，保留字本身不是一个命令而是命令结构的一部分。

          冒号是Shell中一个特殊的符号，首先冒号可以表示永真（相当于TRUE关键字）如while :;do...done（while循环的条件始终为真）；其次冒号可以清空一个文件，:>log将冒号重定向到文件，log文件内容被清空，所 以:>命名是常用的清空文件的命令；接着冒号最重要的用法是：不做任何事，只做参数展开。

    （3）圆括号结构，能强制将其中的命令运行在子shell中，bash3后定义了内部变量BASH_SUBSHELL记录子shell的层次。

    [cpp] view plain copy
    1. #圆括号结构用法  
    2. #!/bin/bash  
    3.   
    4. echo "Father Shell is: $BASH_SUBSHELL"      #打印父shell的层次，为0  
    5. outervar=OUTER                              #父shell的变量outervar  
    6.   
    7. (                                           #利用圆括号结构创建子shell  
    8.     echo "SubShell is: $BASH_SUBSHELL"        #子shell的层次为1  
    9.     (  
    10.         echo "GrandSubShell is: $BASH_SUBSHELL" #孙shell的层次为2  
    11.     )   
    12.     innervar=INNER                            #子shell的变量  
    13.     echo "innervar=$innervar"  
    14.     echo "outervar=$outervar"                 #outervar继承了符shell所赋给它的值  
    15. )                                           #回到父shell  
    16.   
    17. echo "Father Shell is: $BASH_SUBSHELL"     
    18.   
    19. if [ -z "$innervar" ]                      #子shell中定义变量为空，则说明  
    20. then  
    21.   echo "The $innervar is not defined in main body."  
    22. else  
    23.    echo "The $innervar is defined in main body."  
    24. fi  


          innervar为空值，说明子shell中变量的作用域不能在父Shell中生效。在子shell中将变量export成环境变量，子shell对变量的更改仍然对父shell不可见。

          子shell是允许嵌套调用的，可以在函数或圆括号结构内再次调用圆括号结构创建子shell。

          子shell只能继承父shell的一些属性，而子shell不可能反过来改变父shell的属性。子shell能够从父shell继承得来的属性有：当 前的工作目录、环境变量、标准输入输出和错误输出、所有已打开的文件描述符、忽略的信号。子shell不能从父shell继承得来的属性是：除了环境变量 和.bashrc文件中定义变量之外的shell变量、未被忽略的信号处理。

           利用子shell测试变量是否已经定义的例子：

    [cpp] view plain copy
    1. #!/bin/bash  
    2.   
    3. if (set -u; : $var)  #冒号与$间有空格  
    4. then   
    5.   echo "Variable is set."  
    6. fi  

          其中set -u命令用于设置shell选项，u是nounset表示当使用未定义的变量时，输出错误信息并强制退出。: $var中冒号是不做任何事只是参数展开，若没有冒号则$var被解释成shell命令，shell试图去执行var变量的值。加上冒号，shell试图 将var变量进行参数展开但不会试图去执行var变量的值。

           子shell还可以接收到父shell从管道传送过来的数据，例：cat /etc/passwd | (grep 'root')，使用管道符向子shell发送数据，符shell将cat的结果通过管道发送给子shell，子shell执行grep命令。

            shell应用将一个计算量较大的任务分成若干个小任务并行执行。

    [cpp] view plain copy
    1. #子shell用于并行计算的用法  
    2. #!/bin/bash  
    3.   
    4. #用圆括号结构创建三个子shell同时执行  
    5. (grep -r "root" /etc/* | sort > part1)       &       #与root关键字匹配的行，排序后输出到某文件  
    6. (grep -r "root" /usr/local/* | sort > part2) &  
    7. (grep -r "root" /lib/* | sort > part3)       &  
    8.   
    9. wait                                                 #等待后台执行的作业全部完成  
    10. cat part1 part2 part3 | sort > parttotal  
    11. echo "Run time of this script is:$SECONDS"           #输出该脚本执行时间  

          grep -r递归搜索，搜索时的计算量比较大，对每个目录创建一个子shell进行并行处理，然后合并。每个圆括号之外有一个&符号，表示此命令放在后台 执行，继续执行下一条命令；若无&符号则需要一条命令执行完毕后再执行下一条命令，就没真正实现并行计算。wait是一个内建命令，用于等待后台 执行的作业全部完成后再执行下面的命令；若没有wait，脚本将三个子shell放在后台执行后直接执行合并临时文件的命令，三个子shell可能并未执 行完毕，此时临时文件中的结果不完整，合并后也将产生不完整的结果。

    2、Shell的限制模式

           处于限制模式下的shell运行一个脚本或脚本片段，将会禁用一些命令或操作。shell的限制模式是Linux系统基于安全方面的考虑，目的为了限制脚本用户的权限，并尽可能地减小脚本所带来的危害。

           Shell的限制模式限制的操作有：用cd命令更改当前工作目录、更改重要的环境变量的值（$PATH、$SHELL、$BASH_ENV、$ENV 和$SHELLOPTS）、输出重定向符号（>、>>、>|、>&、<>和&>）、调 用含有一个或多个斜杠的命令名称、使用内建命令exec、使用set+r等命令关闭限制模式。

    [cpp] view plain copy
    1. #正常模式和限制模式的区别  
    2. #!/bin/bash  
    3.   
    4. echo "Changing current work directory"   
    5. cd /etc                                    #正常模式下改变当前工作目录  
    6. echo "Now in $PWD"  
    7.   
    8. set -r                                     #shell选项使代码运行在限制模式下（r是restricted）  
    9. echo "------IN RESTRICTED MODE---------"   #开始运行在限制模式下  
    10. echo "Trying to change directory"  
    11. cd /usr/local                              #cd命令出错，被限制了  
    12. echo "$SHELLOPTS=$SHELLOPTS"              #可以读取$SHELLOPTS变量的值  
    13. echo "Now in `pwd`"                        #还是/etc为当前目录  
    14. echo  
    15. echo "Trying to change $SHELL"  
    16. SHELL="/bin/sh"                            #$SHELL变量在限制模式下只读  
    17. echo "$SHELL=$SHELL"                
    18. echo  
    19. echo "Trying to redirect output to a file"  
    20. who > outputnull                          #输出重定向失败，被限制了  
    21. ls -l outputnull                          #outputnull没有被创建  

        set -r开启shell的restricted选项进入限制模式，还有一种以限制模式运行脚本的方式，就是#!/bin/bash -r，-r表示在限制模式下运行该脚本。

    3、进程处理

    （1）进程角度看shell执行

    内建命令是由shell本身执行的命令，而外部命令则需要创建新的进程来执行。从进程角度归纳shell执行内建命令和外部命令的过程。

          当shell命令不是内建命令时，linux利用fork对一个子进程执行该命令，父进程处于等待状态。若该命令或脚本中包含编译过的可执行文件，则内核 将新程序装载到内存，并覆盖子进程，执行结束退出子进程，父进程被重新激活开始读取shell的后一条命令。

          fork是系统调用，fork创建的子进程是父进程的副本，两个进程具有同样的环境、打开的文件、用户标志符、当前工作目录和信号等。

    （2）进程和作业

          作业是用户层面的概念，而进程是操作系统层面的概念。其区别：一个正在执行的进程称为作业，一个作业可以包含多个进程，用户提交作业到操作系统，作业的完成可能依赖于启动多个进程。

          进程的三种基本状态：

          作业号标识的是在该shell下运行的所有进程，而进程号就标识整个系统下正在运行的所有进程。


    其中[1]是作业号，7574是进程号。

    （3）作业控制

    作业是针对shell而言的，有前台运行和后台运行。内建命令fg可将后台运行的作业放到前台，而&符号使得作业在后台运行。

    fg可以指定作业的方法（Ctrl+Z组合键可将正在运行的作业阻塞）：


           bg命令可将阻塞状态的作业转入后台运行。jobs查看作业列表。disown用于从shell的作业表中删除作业。wait命令用与等待后台作业完成。

    （4）信号

          信号是在软件层次上对中断机制的一种模拟，原理上一个进程收到一个信号与处理器收到一个中断请求是一样的。信号事件的来源：硬件来源（比如按下键盘或其他 硬件故障）、软件来源（比如系统函数kill、raise、alarm、setitimer和sigqueue函数）。信号是进程间通信机制中唯一的异步通信机制。

          shell向进程发送信号大多通过Ctrl键加上一些功能键来实现。

           除了利用组合键发送信号外，内建命令kill可用于向进程发送TERM（即terminal）信号，功能和INT信号类似用于停止进程。kill可以通过进程号、作业号（kill  %n）或进程命令名想任何作业发送信号。kill

    杀掉自己本身的进程（

    记录了运行该脚本的进程号），其中大于128的退出码表示脚本是被系统强行结束的。kill -l可看出，kill命令一共能发出64种信号。

    （5）trap命令

          trap是Linux的内建命令，用于捕捉信号，trap命令可以指定收到某种信号时所执行的命令。trap命令的格式如下：trap command sig1 sig2 ... sigN，当接收到sinN中任意一个信号时，执行command命令，command命令完成后继续接收到信号前的操作，直到脚本结束。

    [cpp] view plain copy
    1. #!/bin/bash  
    2.   
    3. trap "echo 'You hit Ctrl+c!'" INT  
    4.   
    5. while :; do  
    6.   let count=count+1  
    7.   echo "This is the $count sleep"  
    8.   sleep 5  
    9. done  

          利用trap命令捕捉INT信号（即与Ctrl+c绑定的中断信号）。trap还可以忽略某些信号，将command用空字符串代替即可，如trap "" TERM INT，忽略kill %n和Ctrl+c发送的信号（kill发送的是TERM信号）。LInux更强劲的杀死进程的命令：kill -9 进程号（或kill -9 %n作业号）等价与kill -KILL 进程号。

     （6）子shell的信号

    子shell能继承父shell所忽略的信号，但是不能继承父shell未忽略的信号。

    [cpp] view plain copy
    1. #!/bin/bash  
    2.   
    3. trap "" QUIT            #忽略kill -3信号，并且子shell能继承父shell所忽略的信号  
    4. trap "echo 'You want to kill me'" TERM    #父shell处理的信号，子shell不能继承  
    5. (                       #子shell，子进程号比父进程号大1  
    6.     while :; do  
    7.         let count=count+1  
    8.         echo "This is the $count sleep"  
    9.         sleep 5  
    10.     done  
    11. )  

           父shell忽略QUIT信号但不忽略TERM信号，9987为父 shell进程号9988为子shell进程号，kill -3 9987向父shell发送3信号和kill -3 9988向子shell发送3信号，均未退出，可以看出子shell对QUIT的忽略是从父shell继承而来的。

           kill 9987向父shell发送TERM信号，父shell仍存活（因处理了TERM信号），kill 9988向子shell发送TERM信号，子shell退出，随后父shell执行完毕结束。TERM信号能杀掉子shell，说明子shell不能继承 父shel未忽略的信号。


          最后出现父shell响应TERM信号的输出，是因为子shell执行fork一个子进程后父shell处于等待状态，只有子shell退出后父shell才会被激活执行输出。

    三、总结

    （1）理解shell在多作业管理和进程处理方面的命名和机制，有助于控制和管理Linux中的进程和作业。

    （2）父shell和子shell的继承特性因充分了解，以及shell的限制模式。

    （3）有很多的细节问题还需不断的总结归纳。

    （3）在shell编程中不断强化其中的概念，进一步消化
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