shell-骨干流程4——命令执行与job控制

• 命令查找
• 命令执行
• 用户手动管理任务
  • 信号机制与trap
  • 作业控制
• Linux信号表

总体流程图镇楼：

命令执行与job控制

经过前面12个步骤的处理，shell命令中引号引用、保留字、别名、展开、替换、重定向等内容都已经设置完成，到了真正来执行命令的阶段。前面所有的步骤都是为了能够顺利执行命令而存在的，可以说命令执行是shell流程的核心。命令执行的流程只有两步（如图中蓝色部分所示），包括寻找可执行命令的第13步和执行该命令的第14步。

第13步中，我们要明确哪些地方能够查找到所需要的可执行命令，以及查找这些地方的顺序。在非复合命令中，首个单词（word）通常指的是需要执行的命令，后面的部分都是该命令的参数。如果找到了可执行命令，那么最终在第14步执行命令（首个单词）+参数（后面所有的单词），并返回结果，命令执行的过程中，还会涉及到执行环境的问题，不同的执行环境会对执行的过程结果有不同影响。如果存在未执行命令则读取下一条命令从第一步再开始处理，若遇到文件结束符（EOF）则完成shell流程。

到这里，shell的骨干流程算是结束了。

然而，对于一个多任务操作系统，bash shell可能启动了多个任务同时运行，因此还需要进行作业的管理和监控。除了Linux内核自动运行的任务/作业管理机制，bash shell也提供了手动调整任务/作业执行流程、方式的机制，主要包括两个机制：作业控制机制和信号机制。作业控制（job control）是针对即将执行和正在执行命令的一套控制机制，也是shell流程中不可缺少的一部分。此外，还可以通过信号的捕获与处理，来与正在运行的任务/作业进行通信，从而实现特定的控制功能。这一部分内容严格来说并不是shell命令处理的骨干流程，但是能够让我们更深刻地理解bash shell的运行方式。

命令查找

根据shell分词的结果，shell会产生**一个简单的命令（首个单词）和一个可选的参数列表。首个单词将会被认为是shell需要执行的命令名称。**这里需要在强调下，shell中的单词和一般语言中的单词是不一样的：单词，word，可以被shell认为是一个单元的一串字符，单词不能包括不带引号的元字符。也就是说，一个字符串只要不能被元字符分割，那就是shell中所谓的单词。

根据《shell骨干流程1——形成初始命令》一文中的说明，shell的分割元字符包括()<>;&| \t\n这几个，因此我们来举几个shell中的单词例子：

1./exec
2/bin/more
3../../test.sh
4"hello world" # 必须要在引号中
5cat

上面的例子都可以称为一个单词来作为简单命令。

那么bash如何来查找这个命令呢？

首先如果这个命令以.或者/开头，则说明用户指定了命令的路径，bash必须根据用户指定的路径去查找是否存在该命令。其中，如果以.开头，则以当前文件夹为基准使用相对路径；如果以/开头，则使用绝对路径。

如果命令中不以.或者/开头，则依以下顺序来查找命令：

1. 查看命令名称是否为shell函数，如果这个名称是shell函数，那么命令将按照Shell函数中的描述被调用。（可以用set命令查看当前所有定义的函数）
2. 查看命令是否为内建命令（builtins），如果找到匹配，则调用该内建命令。
3. 查看$PATH路径，按顺序从左到右依次查找$PATH路径中的每一项，查看该元素下所有可执行文件，直到匹配到命令。
4. 如果$PATH中没有找到匹配的路径，那么shell会抛出command_not_found错误。

在shell实现时，bash使用哈希表来记住可执行文件的完整路径名，以避免频繁的$PATH搜索。只有在哈希表中找不到该命令时，才会执行$PATH目录中的完整搜索，这通常发生在修改了$PATH变量之后。

命令执行

如果我们在第13步中找到了可行性文件，那么将来到最后一步，执行该命令。这一步是shell运行的最终目的，但也是bash管的最少的一步，因为接下来如何执行该命令就完全交由可执行文件自己决定。

bash要做的只是将执行的命令为位置参数0，并把后面的所有单词作为位置参数传递给可执行文件，之后就等待可执行文件运行结束并收集其退出状态。当然如果该命令是异步执行的，shell就不必等待其结束。

最核心的一步也是shell最简单的一步，颇有一种功成身退，翩然而去的风味。

如果我们在深入的了解一下执行流程，会发现shell在执行命令之前还做了一些环境设置的工作，这些环境设置工作虽然不显山不露水，但是若是不了解，就会产生不少奇怪的问题。

此外，当执行一个简单的命令，而不是一个内建函数或shell函数时，它将在一个独立的执行环境中调用，该环境由以下几部分组成。 除非另有说明，否则这些值是从原shell继承而来的。

我们先来看看shell有哪些命令执行环境：

1. 打开的文件信息。Linux中一切皆文件，因此这个打开的“文件”是一个广义概念，目前正在使用的设备、socket等都是文件的范畴，最常见的文件信息就是标准输入输出文件，它们记录了文件输入输出的位置。
2. 当前的工作目录。这个环境可通过cd, pushd, popd修改也可继承自启动该bash的程序。
3. umask信息和文件的读写执行权限有关。
4. trap(后面会提，常用于信号的处理)
5. 通过set设置或从父shell继承的shell参数
6. 在执行期间定义的shell函数或从环境中的shell父项继承的函数
7. 在调用时启用的选项（默认或通过命令行参数或set设置）
8. 由shopt启用的选项
9. 使用alias定义的shell别名
10. 各种进程ID，包括包括后台作业信息，$$和$PPID的值

当执行一个$PATH中的命令，而不是一个内建函数或shell函数时，它将在一个独立的执行环境中调用，该环境由以下几部分组成。

1. 打开的文件信息。
2. 当前的工作目录。
3. umask信息
4. trap
5. 在环境中传递的标记为export的shell变量和函数以及为命令导出的变量

在这个单独的环境中调用的命令不会影响shell的执行环境。

用户手动管理任务

shell每执行一个命令，Linux就相当于启动了一个任务。任务之间未必是一个接一个顺序执行的，bash shell可能启动了多个任务同时运行，因此还需要进行任务管理和调度。对于大多数小型计算机系统来说，任务（进程）都是由内核自动进行调度的，用户几乎无法直接控制任务的执行顺序，至多给他们设置任务优先级，进行间接调控。Unix系统是第一个让用户能够直接控制多个进程的小型操作系统，这个做法评价不一，Linux也继承这个功能，被称为用户控制的多任务。

首先，要区别的进程ID（Process ID）和作业号（Job Number）。当shell开始执行一个命令时，Linux会创建对应的进程并给进程标号，这个标号就是进程ID。进程执行时，默认情况下让bash等待其运行完，如果命令后面加个&符号，进程会被放到后台执行，bash仍能够和用户交互。示例如下：

1$ which ls &
2[1] 7091
3/usr/bin/ls

其中，7091是Linux系统分配的进程ID，[1]是当前shell给它分配的作业号。作业号只是当前shell给它所启动的任务分配的编号，而进程ID是整个系统中，所有用户正在执行任务的编号。

信号机制与trap

信号（Signal）是在软件层次上对中断机制的一种模拟，一个进程通过给另一个进程发送信号，使其执行相应的处理函数，属于一种进程间通信（Interprocess Communication, IPC）。在shell语境下，bash通常使用kill命令发送信号命令给某一进程（常用进程ID指定），而收到信号的进程使用trap命令处理信号。当然，bash也支持从键盘快捷键直接输入信号，如ctrl+c, ctrl+z等。Linux支持的信号用1-64的数字表示，分为非实时信号(不可靠信号)和实时信号(可靠信号)两种类型，对应于 Linux 的信号值为 1-31 和 34-64。非实时信号，不支持队列，信号可能会丢失，比如发送多次相同的信号，进程只能收到一次，如果第一个信号没有处理完，第二个信号将会丢弃。实时信号支持队列，发多少次进程就可以收到多少次。

我们先看看kill命令格式。

1kill [-s sigspec | -n signum | -sigspec] pid | jobspec ... # 给特定进程发送信号
2# 默认发送信号为 TERM （15）
3-l [sigspec/signum] # 打印名称/编号对应的特定信号编号/名称
4-s  # 使用信号名称
5-n  # 使用信号编号
6-l  # 打印编号1-31信号名称
7pid # 进程ID
8jobapec # 作业号，使用的时候前面加%，例如作业号为1的作业为%1

kill虽然名字叫杀，却是发送任意信号的命令。之所以叫杀，是因为默认发送的是杀死进程的命令（SIGTERM）。举个例子：

 1# 我们在后台启动一个cat程序
 2$ cat &
 3[1] 31930 # [1]是作业号，属于当前shell，31930是进程ID，属于系统
 4# 我们用kill 发送一个信号终止cat进程
 5$ kill -n 15 31930 # 或者 kill -s SINTERM 31930
 6[1]+  Stopped                 cat
 7$ cat &
 8[2] 31931
 9$ kill -s SIGTERM %2 # 使用作业号
10[2]+  Stopped                 cat

如果SIGTERM（15）信号无法终止，可以再尝试SIGKILL（9）信号，该信号要求立即停止进程，不能捕获，不能忽略。

Linux支持的信号见Linux信号表。

如果一个进程收到了信号，可以通过三种方式来响应一个信号：

1. 忽略信号，即对信号不做任何处理，其中有两个信号不能忽略：SIGKILL及SIGSTOP。
2. 执行缺省操作，Linux对每种信号都规定了默认操作。
3. 捕捉信号。

默认情况下，当一个进程接收到信号之后，会根据Linux信号表的默认（缺省）操作行事，或者根据系统情况直接忽略信号。然后，bash给我们提供了一个能够按需要自行处理信号的功能，trap。trap命令定义shell脚本在运行时根据接收的信号做相应的处理，该命令对于编写较复杂shell程序有很大意义，提供了类似其他编程语言中异常处理的功能。其使用如下：

1trap [-lp] [[arg] sigspec ...]
2-l  # 打印编号1-64编号信号名称
3-p  # 查看当前已经设置的trap内容
4arg # 捕获信号后执行的命令或者函数
5signal_spec # 信号名或编号，可以是一个或多个

当接收到特定信号后，trap检查是否是自己需要处理的信号，如果是则执行arg指定的命令或函数，执行完后，从刚刚程序中断的地方继续执行。如果命令参数arg为空字符串或者-，这时shell进程和shell进程内的子进程都会忽略该信号（相当于什么都不执行）。我们新建一个有执行权限的loop.sh的文件来举例，其内容如下：

1#! /bin/bash
2# 无限循环睡眠60s的操作
3while true; do
4    sleep 60
5done

当我们直接执行上述shell脚本时，bash会处于一直等待状态，直到我们使用键盘的键入中断命令ctrl+c。

1$ ./loop.sh
2^C
3$ 

Bash所有脚本都自带默认的处理信号的机制，当我们输入ctrl+c之后，相当于向正在执行的loop.sh进程发送了SIGINT(2)，并触发了默认处理即中断正在运行的任务。

如果我们希望接收到信号之后，由trap捕获并按照自己的需求处理信号，而非默认方式，例如：

1#! /bin/bash
2trap "echo 'You hit control-C!'" INT # 使用自定义的命令处理SIGINT信号
3# 无限循环睡眠60s的操作
4while true; do
5    sleep 60
6done

当我们再次执行loop.sh脚本时有:

1$ ./loop.sh
2^CYou hit control-C
3^CYou hit control-C

我们发现，当我们输入ctrl+c之后（即向进程发送SIGINT(2)），脚本并没有停止运行，只是返回了'You hit control-C'。在脚本中，trap捕获了SIGINT(2)信号，并通过用户自定义的echo 'You hit control-C!'命令来实现对信号的处理，覆盖了默认的终止操作。我们还可以给脚本添加其他信号处理的trap：

1#! /bin/bash
2trap "echo 'You tried to kill me!'" TERM # 使用自定义的命令处理SIGTERM信号(kill的默认信号) 
3trap "echo 'You hit control-C!'" INT # 使用自定义的命令处理SIGINT信号
4# 无限循环睡眠60s的操作
5while true; do
6    sleep 60
7done

现在执行loop.sh后，不管是使用默认的kill还是直接键盘输入ctrl+c，都不会终止程序，反而会给我们返回信息。

1$ ./loop.sh
2^CYou hit control-C!
3^Z # ctrl+z 放到后台并终止
4[1]+  Stopped                 ./loop.sh
5$ kill %1
6Terminated # 接收到终止信号，并没有实际终止loop.sh
7You tried to kill me!
8$ jobs # 表明loop.sh还在运行
9[1]+  Running                 ./loop.sh &

如果我们希望杀死该运行中的脚本，需要使用其他信号，例如SIGKILL（9）.

1$ kill -9 %1
2$ jobs
3[1]+  Killed                  ./loop.sh
4$ jobs

最后，还有一点需要说明，如果脚本中针对同一个信号设置了多个trap，那么后一个执行的trap会覆盖之前的trap，即对于同一个信号，只有最后一次trap生效。另外，trap只在本进程内有效，它的子进程不会继承trap的设置。例子如下：

1#! /bin/bash
2trap "echo 'Frist trap: You hit control-C!'" INT
3trap "echo 'Second trap: You hit control-C!'" INT
4# 无限循环睡眠60s的操作
5while true; do
6    sleep 60
7done
8trap "echo 'Third trap: You hit control-C!'" INT

在执行此脚本后，键盘使用ctrl+c结果是^CSecond trap: You hit control-C!。因为shell在顺序执行时，第二个trap覆盖了第一个trap的操作，同时由于陷入了while true死循环，第三个trap一直没有执行到，因此第三个trap也一直没有生效。最后结果就是第二个trap生效。

作业控制

我们前一节已经了解了基于信号的任务控制管理机制，例如kill, trap等，而bash为了方便进程管理，也有自己一套作业控制系统，包括&, bg, fg, disown, suspend等。作业控制系统不仅支持使用进程ID来指定要管理的进程，也支持通过作业号(%符号, jobspec)指定。

最常见的作业控制符号就是&，当一个命令以&结尾时，意味着这条命令放到后台执行。现在我们打开三个后台执行的命令:

 1$ less /etc/cron.d/anacron &
 2[1] 17357
 3$ vim &
 4[2] 18781
 5
 6[1]+  Stopped                 less /etc/cron.d/anacron
 7$ cat &
 8[3] 20137
 9
10[2]+  Stopped                 vim

这三个命令分别形成了当前bash的三个作业，如果我们要查看当前bash的作业情况，可使用jobs命令。

1jobs [-lnprs] [ jobspec ... ]
2    -l     列出当前作业信息（包括进程ID）
3    -n     仅显示有关自上次通知用户以来，状态已更的作业信息。
4    -p     仅列出作业进程组组长的进程ID。
5    -r     仅显示running状态的作业。
6    -s     仅显示stopped状态的作业

当前shell执行jobs效果如下：

1$ jobs -l
2[1]  17357 Stopped (tty output)    less /etc/cron.d/anacron
3[2]- 18781 Stopped (tty output)    vim
4[3]+ 20137 Stopped (tty input)     cat

第一行表示的就是作业号(jobspec)，后面的+表示最近添加到作业列表中的作业，-表示倒数第二最近添加到作业列表中的作业。第二组数字表示进程号，第三组表示状态，当前三个作业都是停止状态。目前此shell中，有三个处于后台的作业，即我们刚才启动的作业。如果我们希望把后台的作业调到前台来继续执行，可以使用fg命令，其使用方式为

 1fg [%][jobspec] 
 2# 在指定作业号时，加不加%符号没有区别。如果不加任何参数，那么会将最近添加到作业列表中的作业（带+号）放到前台
 3fg %1
 4# /etc/cron.d/anacron: crontab entries for the anacron package
 5
 6SHELL=/bin/sh
 7PATH=/usr/local/sbin:/usr/local/bin:/sbin:/bin:/usr/sbin:/usr/bin
 8
 930 7    * * *   root    test -x /etc/init.d/anacron && /usr/sbin/invoke-rc.d anacron start >/dev/null
10

当我们恢复作业号为1的任务时，效果如上，将less /etc/cron.d/anacron命令调到了前台。如果我们想在把它放回后台，可以使用ctrl+z，即可挂起该进程变放入后台。

若我们仅仅是想让一个任务在后台执行起来而不用调到前台，可以使用bg命令直接在后台恢复执行，用法和fg相似。

1bg [jobspec …]
2# 在后台恢复每个挂起的作业jobspec，就好像它已经以‘&’开始。 如果不加任何参数，那么启动最近添加到作业列表中的作业（带+号）

此外，还有两个常用的作业控制命令disown和suspend，简要介绍下：

 1# 从当前shell的作业列表中移除作业
 2disown [-ar] [-h] [jobspec … | pid … ]
 3    -h    标记每个作业标识符，这些作业将不会在shell接收到sighup信号时接收到sighup信号。
 4    -a    移除所有的作业。
 5    -r    移除运行的作业。
 6    jobspec（可选）：要移除的作业标识符，可以是一到多个。
 7    pid（可选）：要移除的作业对应的进程ID，可以是一到多个。
 8
 9# 暂停目前正在执行的shell。若要恢复，则必须使用SIGCONT信息。
10suspend [-f]
11-f 　若目前执行的shell为登入的shell，则suspend预设无法暂停此shell。若要强迫暂停登入的shell，则必须使用-f参数。

在此，我们完成了对shell骨干流程的梳理。这个笔记涵盖了shell执行流程中的大部分问题，还有一些小的方面比如进程协同、多进程、进程替换等并未说明，这是由于用的比较少，等到用到的时候再去学习吧。Keep going!

Linux信号表

CoreDump（核心转储）：当程序运行过程中异常退出时，内核把当前程序在内存状况存储在一个core文件中，以便调试。