Golang os/exec 实现

os/exec 实现了golang调用shell或者其他OS中已存在的命令的方法. 本文主要是阅读内部实现后的一些总结.

如果要运行ls -rlt,代码如下:

package main

import (
	"fmt"
	"log"
	"os/exec"
)

func main() {

	cmd := exec.Command("ls", "-rlt")
	stdoutStderr, err := cmd.CombinedOutput()
	if err != nil {
		log.Fatal(err)
	}
	fmt.Printf("%sn", stdoutStderr)
}

如果要运行ls -rlt /root/*.go, 使用cmd := exec.Command("ls", "-rlt", "/root/*.go")是错误的.
因为底层是直接使用系统调用execve的.它并不会向Shell那样解析通配符. 变通方案为golang执行bash命令, 如:

package main

import (
	"fmt"
	"log"
	"os/exec"
)

func main() {

	cmd := exec.Command("bash", "-c","ls -rlt /root/*.go")
	stdoutStderr, err := cmd.CombinedOutput()
	if err != nil {
		log.Fatal(err)
	}
	fmt.Printf("%sn", stdoutStderr)
}

源码分析

一. os/exec是高阶库,大概的调用关系如下:

                                                                 
                         +----------------+                      
                         | (*Cmd).Start() |                      
                         +----------------+                      
                                 |                               
                                 v                               
  +-------------------------------------------------------------+
  | os.StartProcess(name string, argv []string, attr *ProcAttr) |
  +-------------------------------------------------------------+
                                 |                               
                                 v                               
          +-------------------------------------------+          
          | syscall.StartProcess(name, argv, sysattr) |          
          +-------------------------------------------+          

二. (*Cmd).Start()主要处理如何与创建后的通信. 比如如何将一个文档内容作为子进程的标准输入, 如何获取子进程的标准输出.
这里主要是通过pipe实现, 如下是处理子进程标准输入的具体代码注释.

// 该函数返回子进程标准输入对应的文档信息. 在fork/exec后子进程里面将其对应的文档描述符设置为0
func (c *Cmd) stdin() (f *os.File, err error) {
    // 如果没有定义的标准输入来源, 则默认是/dev/null
	if c.Stdin == nil {
		f, err = os.Open(os.DevNull)
		if err != nil {
			return
		}
		c.closeAfterStart = append(c.closeAfterStart, f)
		return
	}

    // 如果定义子进程的标准输入为父进程已打开的文档, 则直接返回
	if f, ok := c.Stdin.(*os.File); ok {
		return f, nil
	}

    // 如果是其他的,比如实现了io.Reader的一段字符串, 则通过pipe从父进程传入子进程
    // 创建pipe, 成功execve后,在父进程里关闭读. 从父进程写, 从子进程读.
    // 一旦父进程获取子进程的结果, 即子进程运行结束, 在父进程里关闭写.
	pr, pw, err := os.Pipe()
	if err != nil {
		return
	}

	c.closeAfterStart = append(c.closeAfterStart, pr)
    c.closeAfterWait = append(c.closeAfterWait, pw)
    
    // 通过goroutine将c.Stdin的数据写入到pipe的写端
	c.goroutine = append(c.goroutine, func() error {
		_, err := io.Copy(pw, c.Stdin)
		if skip := skipStdinCopyError; skip != nil && skip(err) {
			err = nil
		}
		if err1 := pw.Close(); err == nil {
			err = err1
		}
		return err
	})
	return pr, nil
}

三. golang里使用os.OpenFile打开的文档默认是`close-on-exec”
除非它被指定为子进程的标准输入,标准输出或者标准错误输出, 否则在子进程里会被close掉.

file_unix.go里是打开文档的逻辑:

// openFileNolog is the Unix implementation of OpenFile.
// Changes here should be reflected in openFdAt, if relevant.
func openFileNolog(name string, flag int, perm FileMode) (*File, error) {
	setSticky := false
	if !supportsCreateWithStickyBit && flag&O_CREATE != 0 && perm&ModeSticky != 0 {
		if _, err := Stat(name); IsNotExist(err) {
			setSticky = true
		}
	}

	var r int
	for {
		var e error
		r, e = syscall.Open(name, flag|syscall.O_CLOEXEC, syscallMode(perm))
		if e == nil {
			break
		}

如果要让子进程继承指定的文档, 需要使用大专栏  Golang os/exec 实现de>ExtraFiles字段

func main() {
	a, _ := os.Create("abc")
	cmd := exec.Command("ls", "-rlt")
	cmd.ExtraFiles = append(cmd.ExtraFiles, a)
	stdoutStderr, err := cmd.CombinedOutput()
	if err != nil {
		log.Fatal(err)
	}
	fmt.Printf("%sn", stdoutStderr)
}

四. 当父进程内存特别大的时候, fork/exec的性能非常差, golang使用clone系统调优并大幅优化性能. 代码如下:

	locked = true
	switch {
	case runtime.GOARCH == "amd64" && sys.Cloneflags&CLONE_NEWUSER == 0:
		r1, err1 = rawVforkSyscall(SYS_CLONE, uintptr(SIGCHLD|CLONE_VFORK|CLONE_VM)|sys.Cloneflags)
	case runtime.GOARCH == "s390x":
		r1, _, err1 = RawSyscall6(SYS_CLONE, 0, uintptr(SIGCHLD)|sys.Cloneflags, 0, 0, 0, 0)
	default:
		r1, _, err1 = RawSyscall6(SYS_CLONE, uintptr(SIGCHLD)|sys.Cloneflags, 0, 0, 0, 0, 0)
	}

网上有很多关于讨论该性能的文章:
https://zhuanlan.zhihu.com/p/47940999
https://about.gitlab.com/2018/01/23/how-a-fix-in-go-19-sped-up-our-gitaly-service-by-30x/
https://github.com/golang/go/issues/5838

五. 父进程使用pipe来探测在创建子进程execve时是否有异常.
在 syscall/exec_unix.go中. 如果execve成功,则该pipe因close-on-exec在子进程里自动关闭.

	// Acquire the fork lock so that no other threads
	// create new fds that are not yet close-on-exec
	// before we fork.
	ForkLock.Lock()

	// Allocate child status pipe close on exec.
	if err = forkExecPipe(p[:]); err != nil {
		goto error
	}

	// Kick off child.
	pid, err1 = forkAndExecInChild(argv0p, argvp, envvp, chroot, dir, attr, sys, p[1])
	if err1 != 0 {
		err = Errno(err1)
		goto error
	}
	ForkLock.Unlock()

	// Read child error status from pipe.
	Close(p[1])
	n, err = readlen(p[0], (*byte)(unsafe.Pointer(&err1)), int(unsafe.Sizeof(err1)))
	Close(p[0])

六. 当子进程运行完后, 使用系统调用wait4回收资源, 可获取exit code,信号和rusage使用量等信息.
七. 有超时机制, 如下例子是子进程在5分钟没有运行时也返回. 不会长时间阻塞进程.

package main

import (
	"context"
	"os/exec"
	"time"
)

func main() {
	ctx, cancel := context.WithTimeout(context.Background(), 5*time.Minute)
	defer cancel()

	if err := exec.CommandContext(ctx, "sleep", "5").Run(); err != nil {
		// This will fail after 100 milliseconds. The 5 second sleep
		// will be interrupted.
	}
}

具体是使用context库实现超时机制. 一旦时间达到,就给子进程发送kill信号,强制中止它.

	if c.ctx != nil {
		c.waitDone = make(chan struct{})
		go func() {
			select {
			case <-c.ctx.Done():
				c.Process.Kill()
			case <-c.waitDone:
			}
		}()
	}

八. 假设调用一个脚本A, A有会调用B. 如果此时golang进程超时kill掉A, 那么B就变为pid为1的进程的子进程.
有时这并不是我们所希望的.因为真正导致长时间没返回结果的可能是B进程.所有更希望将A和B同时杀掉.
在传统的C代码里,我们通常fork进程后运行setsid来解决. 对应golang的代码为:

func main() {
	ctx, cancel := context.WithTimeout(context.Background(), 5*time.Minute)
	defer cancel()
	cmd := exec.CommandContext(ctx, "sleep", "5")
	cmd.SysProcAttr.Setsid = true

	if err := cmd.Run(); err != nil {
		// This will fail after 100 milliseconds. The 5 second sleep
		// will be interrupted.
	}
}