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            興海北路

            ---男兒仗劍自橫行
            <2008年7月>
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            統(tǒng)計(jì)

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            Linux命令行上程序執(zhí)行的那一剎那!
            by falcon<zhangjinw@gmail.com>
            2008-02-15

                (這一小節(jié)應(yīng)該是作為《shell編程范例之進(jìn)程操作》的一些補(bǔ)充性質(zhì)的內(nèi)容。)

                當(dāng)我們?cè)贚inux下的命令行輸入一個(gè)命令之后,這背后發(fā)生了什么?

            1、什么是命令行接口

                用戶使用計(jì)算機(jī)有兩種常見(jiàn)的方式,一種是圖形化的接口(GUI),另外一種則是命令行接口(CLI)。對(duì)于圖形化的接口,用戶點(diǎn)擊某個(gè)圖標(biāo)就可啟動(dòng)后 臺(tái)的某個(gè)程序;對(duì)于命令行的接口,用戶鍵入某個(gè)程序的名字就可啟動(dòng)某個(gè)程序。這兩者的基本過(guò)程是類似的,都需要查找程序文件在磁盤上的位置,加載到內(nèi)存并 通過(guò)不同的解釋器進(jìn)行解析和運(yùn)行。下面以命令行為例來(lái)介紹程序執(zhí)行那一剎那發(fā)生的一些事情。
                首先來(lái)介紹什么是命令行?命令行就是command line,很直觀的概念就是系統(tǒng)啟動(dòng)后的那個(gè)黑屏幕:有一個(gè)提示符,并有光標(biāo)在閃爍的那樣一個(gè)終端,一般情況下可以用CTRL+ALT+F1-6切換到不同的終端;在GUI界 面下也會(huì)有一些偽終端,看上去和系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)的那個(gè)終端沒(méi)有什么區(qū)別,也會(huì)有一個(gè)提示符,并有一個(gè)光標(biāo)在閃爍。就提示符和響應(yīng)用戶的鍵盤輸入而言,它們兩者 在功能上是一樣的,實(shí)際上它們就是同一個(gè)東西,你用下面的命令就可以把它們打印出來(lái)。
            Quote:

            $ echo $SHELL   #打印當(dāng)前SHELL,當(dāng)前運(yùn)行的命令行接口程序
            /bin/bash
            $ echo $$   #該程序?qū)?yīng)的進(jìn)程ID,$$是一個(gè)比較特殊的環(huán)境變量,它存放了當(dāng)前進(jìn)程ID
            1481
            $ ps -C bash   #通過(guò)PS命令查看
              PID TTY          TIME CMD
             1481 pts/0    00:00:00 bash


                從上面的操作結(jié)果可以看出,當(dāng)前命令行接口實(shí)際上是一個(gè)程序,那就是/bin/bash,它是一個(gè)實(shí)實(shí)在在的程序,它打印提示符,接受用戶輸入的命令,分 析命令序列并執(zhí)行然后返回結(jié)果。不過(guò)/bin/bash僅僅是當(dāng)前使用的命令行程序之一,還有很多具有類似功能的程序,比如/bin/tcsh, bin/ash等。不過(guò)這里主要來(lái)討論bash了,討論它自己是怎么啟動(dòng)的,它怎么樣處理用戶的輸入命令等后臺(tái)細(xì)節(jié)?

            1.2 /bin/bash是什么時(shí)候啟動(dòng)的

            1.2.1 /bin/bash

               先通過(guò)CTRL+ALT+F1切換到一個(gè)普通終端下面,一般情況下看到的是XXX login: 提示輸入用戶名,接著是提示輸入密碼,然后呢?就直接登錄到了我們的命令 行接口。實(shí)際上正是你輸入正確的密碼后,那個(gè)程序把/bin/bash給啟動(dòng)了。那是什么東西提示"XXX login:"的呢?正是/bin/login程序,那/bin/login程序怎么知道要啟動(dòng)/bin/bash,而不是其他的/bin/tcsh呢?
                /bin/login程序?qū)嶋H上會(huì)檢查我們的/etc/passwd文件,在這個(gè)文件里頭包含了用戶名、密碼和該用戶的登錄shell。密碼和用戶名匹配用戶的登錄,而登錄shell則作為用戶登錄后的命令行程序。看看/etc/passwd中典型的這么一行:
            Quote:

            $ cat /etc/passwd | grep falcon
            falcon:x:1000:1000:falcon,,,:/home/falcon:/bin/bash


                這個(gè)是我用的帳號(hào)的相關(guān)信息哦,看到最后一行沒(méi)?/bin/bash,這正是我登錄用的命令行解釋程序。至于密碼呢,看到那個(gè)x沒(méi)?這個(gè)x說(shuō)明我的密碼被 保存在另外一個(gè)文件里頭/etc/shadow,而且密碼是經(jīng)過(guò)加密的。至于這兩個(gè)文件的更多細(xì)節(jié),看manual吧。
                我們?cè)趺粗绖偤檬?bin/login打印了"XXX login"呢?現(xiàn)在回顧一下很早以前學(xué)習(xí)的那個(gè)strace命令。我們可以用strace命令來(lái)跟蹤/bin/login程序的執(zhí)行。
                跟上面一樣,切換到一個(gè)普通終端,并切換到root用戶,用下面的命令:
            Quote:

            $ strace -f -o strace.out /bin/login


                退出以后就可以打開(kāi)strace.out文件,看看到底執(zhí)行了哪些文件,讀取了哪些文件。從中我們可以看到正是/bin/login程序用execve調(diào) 用了/bin/bash命令。通過(guò)后面的演示,我們發(fā)現(xiàn)/bin/login只是在子進(jìn)程里頭用execve調(diào)用了/bin/bash,因?yàn)樵趩?dòng) /bin/bash后,我們發(fā)現(xiàn)/bin/login并沒(méi)有退出。

            1.2.2 /bin/login

                那/bin/login又是怎么起來(lái)的呢?
                下面再來(lái)看一個(gè)演示。先在一個(gè)可以登陸的終端下執(zhí)行下面的命令。
            Quote:

            $ getty 38400 tty8 linux


                getty命令停留在那里,貌似等待用戶的什么操作,現(xiàn)在切回到第8個(gè)終端,是不是看到有"XXX login:"的提示了。輸入用戶名并登錄,之后退出,回到第一個(gè)終端,發(fā)現(xiàn)getty命令已經(jīng)退出。
                類似地,我們也可以用strace命令來(lái)跟蹤getty的執(zhí)行過(guò)程。在第一個(gè)終端下切換到root用戶。執(zhí)行如下命令,
            Quote:

            $ strace -f -o strace.out getty 38400 tty8 linux


                同樣在strace.out命令中可以找到該命令的相關(guān)啟動(dòng)細(xì)節(jié)。比如,我們可以看到正是getty程序用execve系統(tǒng)調(diào)用執(zhí)行了 /bin/login程序。這個(gè)地方,getty是在自己的主進(jìn)程里頭直接執(zhí)行了/bin/login,這樣/bin/login將把getty的進(jìn)程空 間替換掉。

            1.2.3 /sbin/getty

                這里涉及到一個(gè)非常重要的東西了:/sbin/init,通過(guò)man init你可以查看到該命令的作用,它可是“萬(wàn)物之王”(init  is  the  parent of all processes on the system)哦。它是Linux系統(tǒng)默認(rèn)啟動(dòng)的第一個(gè)程序,負(fù)責(zé)進(jìn)行Linux系統(tǒng)的一些初始化工作,而這些初始化工作的配置則是通過(guò) /etc/inittab來(lái)做的。那么來(lái)看看/etc/inittab的一個(gè)簡(jiǎn)單的example吧,可以通過(guò)man inittab查看相關(guān)幫助。
                整個(gè)配置文件的語(yǔ)法非常簡(jiǎn)單,就是下面一行的重復(fù),
            Quote:

            id:runlevels:action:process


               
          1. id就是一個(gè)唯一的編號(hào),不用管它,一個(gè)名字而言,無(wú)關(guān)緊要。
               
          2. runlevels是運(yùn)行級(jí)別,整個(gè)還是比較重要的,理解運(yùn)行級(jí)別的概念很有必要,它可以有如下的取值,
            Quote:

            0 is halt.
            1 is single-user.
            2-5 are multi-user.
            6 is reboot.


                不過(guò),真正在配置文件里頭用的是1-5了,而0和6非常特別,除了用它作為init命令的參數(shù)關(guān)機(jī)和重啟外,似乎沒(méi)有哪個(gè)“傻瓜”把它寫在系統(tǒng)的配置文件 里頭,讓系統(tǒng)啟動(dòng)以后就關(guān)機(jī)或者重啟。1代表單用戶,而2-5則代表多用戶。對(duì)于2-5可能有不同的解釋,比如在slackware 12.0上,2,3,5被用來(lái)作為多用戶模式,但是默認(rèn)不啟動(dòng)X windows(GUI接口),而4則作為啟動(dòng)X windows的運(yùn)行級(jí)別。
               
          3. action是動(dòng)作,它也有很多選擇,我們關(guān)心幾個(gè)常用的
                initdefault 用來(lái)指定系統(tǒng)啟動(dòng)后進(jìn)入的運(yùn)行級(jí)別,通常在/etc/inittab的第一條配置,如
            Quote:

                    id:3:initdefault:


                這個(gè)說(shuō)明默認(rèn)運(yùn)行級(jí)別是3,即多用戶模式,但是不啟動(dòng)X window的那種。
                sysinit 指定那些在系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)將被執(zhí)行的程序,例如
            Quote:

                si:S:sysinit:/etc/rc.d/rc.S
            [quote]
                在man inittab中提到,對(duì)于sysinit,boot等動(dòng)作,runlevels選項(xiàng)是不用管的,所以我們可以很容易解讀這條配置:它的意思是系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí) 將默認(rèn)執(zhí)行/etc/rc.d/rc.S文件,在這個(gè)文件里你可直接或者間接的執(zhí)行你想讓系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)執(zhí)行的任何程序,完成系統(tǒng)的初始化。
                wait,當(dāng)進(jìn)入某個(gè)特別的運(yùn)行級(jí)別時(shí),指定的程序?qū)⒈粓?zhí)行一次,init將等到它執(zhí)行完成,例如
            [quote]
            rc:2345:wait:/etc/rc.d/rc.M


                這個(gè)說(shuō)明無(wú)論是進(jìn)入運(yùn)行級(jí)別2,3,4,5中哪一個(gè),/etc/rc.d/rc.M將被執(zhí)行一次,并且有init等待它執(zhí)行完成。
                ctrlaltdel,當(dāng)init程序接收到SIGINT信號(hào)時(shí),某個(gè)指定的程序?qū)⒈粓?zhí)行,我們通常通過(guò)按下CTRL+ALT+DEL,這個(gè)默認(rèn)情況下將 給init發(fā)送一個(gè)SIGINT信號(hào)。如果我們想在按下這幾個(gè)鍵時(shí),系統(tǒng)重啟,那么可以在/etc/inittab中寫入,
            Quote:

            ca::ctrlaltdel:/sbin/shutdown -t5 -r now


                respawn,這個(gè)指定的進(jìn)程將被重啟,任何時(shí)候當(dāng)它退出時(shí)。這意味著你沒(méi)有辦法結(jié)束它,除非init自己結(jié)束了。例如,
            Quote:

                c1:1235:respawn:/sbin/agetty 38400 tty1 linux


                這一行的意思非常簡(jiǎn)單,就是系統(tǒng)運(yùn)行在級(jí)別1,2,3,5時(shí),將默認(rèn)執(zhí)行/sbin/agetty程序(這個(gè)類似于上面提到的getty程序),這個(gè)程序非常有意思,就是無(wú)論什么時(shí)候它退出,init將再次啟動(dòng)它。這個(gè)有幾個(gè)比較有意思的問(wèn)題:
                在slackware 12.0下,當(dāng)你把默認(rèn)運(yùn)行級(jí)別修改為4的時(shí)候,只有第6個(gè)終端可以用。原因是什么呢?因?yàn)轭愃粕厦娴呐渲茫驗(yàn)槟抢镏挥?235,而沒(méi)有4,這意味著當(dāng) 系統(tǒng)運(yùn)行在第4級(jí)別時(shí),其他終端下的/sbin/agetty沒(méi)有啟動(dòng)。所以,如果想讓其他終端都可以用,把1235修改為12345即可。
                另外一個(gè)有趣的問(wèn)題就是:正是init程序在讀取這個(gè)配置行以后啟動(dòng)了/sbin/agetty,這就是我們的/sbin/agetty的秘密。
                還有一個(gè)問(wèn)題:無(wú)論我們退出哪個(gè)終端,那個(gè)"XXX login:"總是會(huì)被打印,原因是respawn動(dòng)作有趣的性質(zhì),因?yàn)樗嬖Vinit,無(wú)論/sbin/agetty什么時(shí)候退出,重新把它啟動(dòng)起來(lái), 那跟"XXX login:"有什么關(guān)系呢?從前面的內(nèi)容,我們發(fā)現(xiàn)正是/sbin/getty(同agetty)啟動(dòng)了/bin/login,而/bin/login 有啟動(dòng)了/bin/bash,即我們的命令行程序。
                而init程序作為“萬(wàn)物之王”,它是所有進(jìn)程的“父”(也可能是祖父……)進(jìn)程,那意味著其他進(jìn)程最多只能是它的兒子進(jìn)程。而這個(gè)子進(jìn)程是怎么創(chuàng)建的, fork調(diào)用,而不是之前提到的execve調(diào)用。前者創(chuàng)建一個(gè)子進(jìn)程,后者則會(huì)覆蓋當(dāng)前進(jìn)程。因?yàn)槲覀儼l(fā)現(xiàn)/sbin/getty運(yùn)行時(shí),init并沒(méi) 有退出,因此可以判斷是fork調(diào)用創(chuàng)建一個(gè)子進(jìn)程后,才通過(guò)execve執(zhí)行了/sbin/getty。
                因此,我們可以總結(jié)出這么一個(gè)調(diào)用過(guò)程:
            Quote:

                fork   execve          execve         fork            execve 
            init --> init --> /sbin/getty --> /bin/login --> /bin/login --> /bin/bash


                這里的execve調(diào)用以后,后者將直接替換前者,因此當(dāng)我們鍵入exit退出/bin/bash以后,也就相當(dāng)于/sbin/getty都已經(jīng)結(jié)束了, 因此最前面的init程序判斷/sbin/getty退出了,又會(huì)創(chuàng)建一個(gè)子進(jìn)程把/sbin/getty啟動(dòng),進(jìn)而又啟動(dòng)了/bin/login,又看 到了那個(gè)"XXX login:"。
                通過(guò)ps和pstree命令看看實(shí)際情況是不是這樣,前者打印出進(jìn)程的信息,后者則打印出調(diào)用關(guān)系。
            Quote:

            $ ps -ef | egrep "/sbin/init|/sbin/getty|bash|/bin/login"
            root         1     0  0 21:43 ?        00:00:01 /sbin/init
            root      3957     1  0 21:43 tty4     00:00:00 /sbin/getty 38400 tty4
            root      3958     1  0 21:43 tty5     00:00:00 /sbin/getty 38400 tty5
            root      3963     1  0 21:43 tty3     00:00:00 /sbin/getty 38400 tty3
            root      3965     1  0 21:43 tty6     00:00:00 /sbin/getty 38400 tty6
            root      7023     1  0 22:48 tty1     00:00:00 /sbin/getty 38400 tty1
            root      7081     1  0 22:51 tty2     00:00:00 /bin/login --      
            falcon    7092  7081  0 22:52 tty2     00:00:00 -bash


                我們過(guò)濾了一些不相干的數(shù)據(jù)。從上面的結(jié)果可以看到,除了tty2被替換成/bin/login外,其他終端都運(yùn)行著/sbin/getty,說(shuō)明終端2 上的進(jìn)程是/bin/login,它已經(jīng)把/sbin/getty替換掉,另外,我們看到-bash進(jìn)程的父進(jìn)程是7081剛好是/bin/login程 序,這說(shuō)明/bin/login啟動(dòng)了-bash,但是它并沒(méi)有替換掉/bin/login,而是成為了/bin/login的子進(jìn)程,這說(shuō)明 /bin/login通過(guò)fork創(chuàng)建了一個(gè)子進(jìn)程并通過(guò)execve執(zhí)行了-bash(后者通過(guò)strace跟蹤到)。而init呢,其進(jìn)程ID是1, 是/sbin/getty和/bin/login的父進(jìn)程,說(shuō)明init啟動(dòng)或者間接啟動(dòng)了它們。下面通過(guò)pstree來(lái)查看調(diào)用樹(shù),更清晰的看出上述關(guān) 系。
            Quote:

            $ pstree | egrep "init|getty|\-bash|login"
            init-+-5*[getty]
                 |-login---bash
                 |-xfce4-terminal-+-bash-+-grep


                結(jié)果顯示init是5個(gè)getty程序,login程序和xfce4-terminal的父進(jìn)程,而后兩者則是bash的父進(jìn)程,另外我們執(zhí)行的grep命令則在bash上運(yùn)行,是bash的子進(jìn)程,這個(gè)將是我們后面關(guān)心的問(wèn)題。
                從上面的結(jié)果發(fā)現(xiàn),init作為所有進(jìn)程的父進(jìn)程,它的父進(jìn)程ID饒有興趣的是0,它是怎么被啟動(dòng)的呢?誰(shuí)才是真正的“造物主”?

            1.2.4 誰(shuí)啟動(dòng)了/sbin/init

                如果用過(guò)Lilo或者Grub這兩個(gè)操作系統(tǒng)引導(dǎo)程序,你可能會(huì)用到Linux內(nèi)核的一個(gè)啟動(dòng)參數(shù)init,當(dāng)你忘記密碼時(shí),可能會(huì)把這個(gè)參數(shù)設(shè)置成/bin/bash,讓系統(tǒng)直接進(jìn)入命令行,而無(wú)須輸入帳號(hào)和密碼,這樣就可以方便地登錄密碼修改掉。
                這個(gè)init參數(shù)是個(gè)什么東西呢?通過(guò)man bootparam會(huì)發(fā)現(xiàn)它的秘密,init參數(shù)正好指定了內(nèi)核啟動(dòng)后要啟動(dòng)的第一個(gè)程序,而如果沒(méi)有指定該參數(shù),內(nèi)核將依次查找/sbin/init, /etc/init, /bin/init, /bin/sh,如果找不到這幾個(gè)文件中的任何一個(gè),內(nèi)核就要恐慌(panic)了,并呆在那里一動(dòng)不動(dòng)了。
                因此/sbin/init就是Linux內(nèi)核啟動(dòng)的。而Linux內(nèi)核呢?是通過(guò)Lilo或者Grub等引導(dǎo)程序啟動(dòng)的,Lilo和Grub都有相應(yīng)的配 置文件,一般對(duì)應(yīng)/etc/lilo.conf和/boot/grub/menu.lst,通過(guò)這些配置文件可以指定內(nèi)核映像文件、系統(tǒng)根目錄所在分區(qū)、 啟動(dòng)選項(xiàng)標(biāo)簽等信息,從而能夠讓它們順利把內(nèi)核啟動(dòng)起來(lái)。
                那Lilo和Grub本身又是怎么被運(yùn)行起來(lái)的呢?還記得以前介紹的MBR不?MBR就是主引導(dǎo)扇區(qū),一般情況下這里存放著Lilo和Grub的代碼,而 誰(shuí)知道正好是這里存放了它們呢?BIOS,如果你用光盤安裝過(guò)操作系統(tǒng)的話,那么應(yīng)該修改過(guò)BIOS的默認(rèn)啟動(dòng)設(shè)置,通過(guò)設(shè)置你可以讓系統(tǒng)從光盤、硬盤甚 至軟盤啟動(dòng)。正是這里的設(shè)置讓BIOS知道了MBR處的代碼需要被執(zhí)行。
                那BIOS又是什么時(shí)候被起來(lái)的呢?加電自檢就執(zhí)行到了這里。
                更多系統(tǒng)啟動(dòng)的細(xì)節(jié),看看 "man boot-scripts" 吧。

                到這里,/bin/bash的神秘面紗就被揭開(kāi)了,它只是系統(tǒng)啟動(dòng)后運(yùn)行的一個(gè)程序而已,只不過(guò)這個(gè)程序可以響應(yīng)用戶的請(qǐng)求,那它到底是如何響應(yīng)用戶請(qǐng)求的呢?

            1.3 /bin/bash如何處理用戶鍵入的命令

            1.3.0 預(yù)備知識(shí)

                在執(zhí)行磁盤上某個(gè)程序時(shí),我們通常不會(huì)指定這個(gè)程序文件的絕對(duì)路徑,比如要執(zhí)行echo命令時(shí),我們一般不會(huì)輸入/bin/echo,而僅僅是輸入 echo。那為什么這樣bash也能夠找到/bin/echo呢?原因是Linux操作系統(tǒng)支持這樣一種策略:shell的一個(gè)環(huán)境變量PATH里頭存放 了程序的一些路徑,當(dāng)shell執(zhí)行程序時(shí)有可能去這些目錄下查找。which作為shell(這里特指bash)的一個(gè)內(nèi)置命令,如果用戶輸入的命令是 磁盤上的某個(gè)程序,它會(huì)返回這個(gè)文件的全路徑。

                有三個(gè)東西和終端的關(guān)系很大,那就是標(biāo)準(zhǔn)輸入、標(biāo)準(zhǔn)輸出和標(biāo)準(zhǔn)錯(cuò)誤,它們是三個(gè)文件描述符,一般對(duì)應(yīng)描述符0,1,2。在C語(yǔ)言程序里頭,我們可以把它們 當(dāng)作文件描述符一樣進(jìn)行操作。在命令行下,則可以使用重定向字符>,<等對(duì)它們進(jìn)行操作。對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)輸出和標(biāo)準(zhǔn)錯(cuò)誤,都默認(rèn)輸出到終端,對(duì)于標(biāo) 準(zhǔn)輸入,也同樣默認(rèn)從終端輸入。

            1.3.1 哪種命令先被執(zhí)行

                在C語(yǔ)言里頭要寫一段輸入字符串的命令很簡(jiǎn)單,調(diào)用scanf或者fgets就可以。這個(gè)在bash里頭應(yīng)該是類似的。但是它獲取用戶的命令以后,如何分析命令,如何響應(yīng)不同的命令呢?
                首先來(lái)看看bash下所謂的命令,用最常見(jiàn)的test來(lái)作測(cè)試。
            Quote:

            $ test1   #隨便鍵入一個(gè)字符串test1,bash發(fā)出響應(yīng),告訴我們找不到這個(gè)程序
            bash: test1: command not found
            $ test    #當(dāng)我們鍵入test的時(shí)候,看不到任何輸出,唯一的響應(yīng)是,新的命令提示符被打印了
            $ type test
            test is a shell builtin
            #查看test這個(gè)命令的類型,即查看test將被如何解釋,type告訴我們test是一個(gè)內(nèi)置命令,如果沒(méi)有理解錯(cuò),test應(yīng)該是利用諸如case "test": do something;break;這樣的機(jī)制實(shí)現(xiàn)的。
            $ which test   #通過(guò)which查到/usr/bin下有一個(gè)test命令文件,在鍵入test時(shí),到底哪一個(gè)被執(zhí)行了呢?
            /usr/bin/test
            $ /usr/bin/test   #執(zhí)行這個(gè)呢?也沒(méi)什么反應(yīng),到底誰(shuí)先被執(zhí)行了?


                從上面的演示中發(fā)現(xiàn)一個(gè)問(wèn)題?如果輸入一個(gè)命令,這個(gè)命令要么就不存在,要么可能同時(shí)是shell的內(nèi)置命令、也有可能是磁盤上環(huán)境變量PATH所指定的目錄下的某個(gè)程序文件。
                考慮到test內(nèi)置命令和/usr/bin/test命令的響應(yīng)結(jié)果一樣,我們無(wú)法知道哪一個(gè)先被執(zhí)行了,怎么辦呢?把/usr/bin/test替換成 一個(gè)我們自己的命令,并讓它打印一些信息(比如hello,world!),這樣我們就知道到底誰(shuí)被執(zhí)行了。寫完程序,編譯好,命名為test放到 /usr/bin下(記得備份原來(lái)那個(gè))。開(kāi)始測(cè)試:
            Quote:

            $ test #鍵入test,還是沒(méi)有效果
            $ /usr/bin/test   #而鍵入絕對(duì)路徑呢,則打印了hello, world!誒,那默認(rèn)情況下肯定是內(nèi)置命令先被執(zhí)行了
            hello, world!


                總結(jié):內(nèi)置命令比磁盤文件中的程序優(yōu)先被bash執(zhí)行

                下面看看更多有趣的東西,鍵盤鍵入的命令還有可能是什么呢?因?yàn)閎ash支持別名和函數(shù),所以還有可能是別名和函數(shù),另外,如果PATH環(huán)境變量指定的不同目錄下有相同名字的程序文件,那到底哪個(gè)被優(yōu)先找到呢?
                下面再作一些實(shí)驗(yàn),
            Quote:

            $ alias test="ls -l"   #把test命名為ls -l的別名
            $ test                 #再執(zhí)行test,竟然執(zhí)行了ls -l,而不是什么也沒(méi)有,說(shuō)明alias比內(nèi)置命令更優(yōu)先
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            drwxr-xr-x 12 falcon falcon    4096 2008-02-21 23:43 bash-3.2
            -rw-r--r--  1 falcon falcon 2529838 2008-02-21 23:30 bash-3.2.tar.gz
            $ function test { echo "hi, I'm a function"; }   #定義一個(gè)名叫test的函數(shù)
            $ test   #執(zhí)行一下,發(fā)現(xiàn),還是執(zhí)行了ls -l,說(shuō)明function沒(méi)有alias優(yōu)先級(jí)高
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            drwxr-xr-x 12 falcon falcon    4096 2008-02-21 23:43 bash-3.2
            -rw-r--r--  1 falcon falcon 2529838 2008-02-21 23:30 bash-3.2.tar.gz
            $ unalias test   #把別名給去掉
            $ test         #現(xiàn)在執(zhí)行的是函數(shù),說(shuō)明函數(shù)的優(yōu)先級(jí)比內(nèi)置命令也要高
            hi, I'm a function
            $ builtin test #如果在命令之前跟上builtin,那么將直接執(zhí)行內(nèi)置命令
            $ unset test   #要去掉某個(gè)函數(shù)的定義,這樣就可以


                通過(guò)這個(gè)實(shí)驗(yàn)我們得到一個(gè)命令的別名(alias)、函數(shù)(function),內(nèi)置命令(builtin)和程序(program)的執(zhí)行優(yōu)先次序:
            Quote:

            先    alias --> function --> builtin --> program   后


                實(shí)際上,type命令會(huì)告訴我們這些細(xì)節(jié),type -a會(huì)按照bash解析的順序依次打印該命令的類型,而type -t則會(huì)給出第一個(gè)將被解析的命令的類型,之所以要做上面的實(shí)驗(yàn),是為了讓大家加印象。
            Quote:

            $ type -a test
            test is a shell builtin
            test is /usr/bin/test
            $ alias test="ls -l"
            $ function test { echo "I'm a function"; }
            $ type -a test
            test is aliased to `ls -l'
            test is a function
            test ()
            {
                echo "I'm a function"
            }
            test is a shell builtin
            test is /usr/bin/test
            $ type -t test
            alias


                下面再看看PATH指定的多個(gè)目錄下有同名程序的情況。再寫一個(gè)程序,打印“hi, world!”,以示和"hello, world!"的區(qū)別,放到PATH指定的另外一個(gè)目錄/bin下,為了保證測(cè)試的說(shuō)服力,再寫一個(gè)放到另外一個(gè)叫/usr/local/sbin的目錄 下。
                先看看PATH環(huán)境變量,確保它有/usr/bin,/bin和/usr/local/sbin這幾個(gè)目錄,然后通過(guò)type -P(-P參數(shù)強(qiáng)制到PATH下查找,而不管是別名還是內(nèi)置命令等,可以通過(guò)help type查看該參數(shù)的含義)查看,到底哪個(gè)先被執(zhí)行。

            Quote:

            $ echo $PATH
            /usr/local/sbin:/usr/local/bin:/usr/sbin:/usr/bin:/sbin:/bin:/usr/games
            $ type -P test   #可以看到/usr/local/sbin下的先被找到
            /usr/local/sbin/test
            $ rm /usr/local/sbin/test #把/usr/local/sbin/test下的給刪除掉
            $ type -P test   #現(xiàn)在/usr/bin下的先被找到
            /usr/bin/test
            $ type -a test #type -a也顯示類似的結(jié)果
            test is aliased to `ls -l'
            test is a function
            test ()
            {
                echo "I'm a function"
            }
            test is a shell builtin
            test is /usr/bin/test
            test is /bin/test


                可以找出這么一個(gè)規(guī)律:shell從PATH列出的路徑中依次查找用戶輸入的命令。考慮到程序的優(yōu)先級(jí)最低,如果想優(yōu)先執(zhí)行磁盤上的程序文件test呢?那么就可以用test -P找出這個(gè)文件并執(zhí)行就可以了。

            補(bǔ)充:對(duì)于shell的內(nèi)置命令,可以通過(guò)help command的方式獲得幫助,對(duì)于程序文件,可以查看用戶手冊(cè)(當(dāng)然,這個(gè)需要安裝,一般叫做xxx-doc),man command。關(guān)于用戶手冊(cè)安裝辦法見(jiàn)在Linux下學(xué)會(huì)查看Man文檔

            1.3.2 這些特殊字符是如何解析的:|, >, <, &

                在命令行上,除了輸入各種命令以及一些參數(shù)外,比如上面type命令的各種參數(shù)-a, -P等,對(duì)于這些參數(shù),是傳遞給程序本身的,非常好處理,比如if,else條件分之或者switch, case都可以處理。當(dāng)然,在bash里頭可能使用專門的參數(shù)處理函數(shù)getopt和getopt_long來(lái)處理它們。
                而|,>,<,&等字符,則比較特別,shell是怎么處理它們的呢?它們也被傳遞給程序本身嗎?可我們的程序內(nèi)部一般都不處理這些字符的,所以應(yīng)該是shell程序自己解析了它們。
                先來(lái)看看這幾個(gè)字符在命令行的常見(jiàn)用法,
            Quote:

            $ cat < ./test.c  #<字符表示:把test.c文件重定向?yàn)闃?biāo)準(zhǔn)輸入,作為cat命令的輸入,而cat默認(rèn)把內(nèi)容輸出到標(biāo)準(zhǔn)輸出。
            #include <stdio.h>

            int main(void)
            {
                    printf("hi, myself!\n");
                    return 0;
            }
            $ cat < ./test.c > test_new.c #>表示把標(biāo)準(zhǔn)輸出重定向?yàn)槲募est_new.c,結(jié)果內(nèi)容輸出到test_new.c


                對(duì)于>,<,>>,<<,<>我們都稱之為重定向(redirect),shell到底是怎么進(jìn)行所謂的“重定向”的呢?
                這主要?dú)w功于dup/fcntl等函數(shù),它們可以實(shí)現(xiàn):復(fù)制文件描述符,讓多個(gè)文件描述符共享同一個(gè)文件表項(xiàng)。比如,當(dāng)把文件test.c重定向?yàn)闃?biāo)準(zhǔn)輸 入時(shí)。假設(shè)之前用以打開(kāi)test.c的文件描述符是5,現(xiàn)在就把5復(fù)制為了0,這樣當(dāng)cat試圖從標(biāo)準(zhǔn)輸入讀出內(nèi)容時(shí),也就訪問(wèn)了文件描述符5指向的文件 表項(xiàng),接著讀出了文件內(nèi)容。輸出重定向與此類似。其他的重定向,諸如>>, <<, <>等雖然和>,<的具體實(shí)現(xiàn)功能不太一樣,但本質(zhì)是一樣的,都是文件描述符的復(fù)制,只不過(guò)可能對(duì)文件操作有一些附加的限制,比 如>>在輸出時(shí)追加到文件末尾,而>則會(huì)從頭開(kāi)始寫入文件,前者意味著文件的大小會(huì)增長(zhǎng),而后者則意味文件被重寫。

                那么|呢?"|"被形象地稱為“管道”,實(shí)際上它就是通過(guò)C語(yǔ)言里頭的無(wú)名管道來(lái)實(shí)現(xiàn)的。先看一個(gè)例子,

            Quote:

            $ cat < ./test.c  | grep hi
                    printf("hi, myself!\n");



                在這個(gè)例子中,cat讀出了test.c文件中的內(nèi)容,并輸出到標(biāo)準(zhǔn)輸出上,但是實(shí)際上輸出的內(nèi)容卻只有一行,原因是這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)輸出被“接到”了grep命令的標(biāo)準(zhǔn)輸入上,而grep命令只打印了包含“hi”字符串的一行。
                這是怎么被“接”上的。cat和grep作為兩個(gè)單獨(dú)的命令,它們本身沒(méi)有辦法把兩者的輸入和輸出“接”起來(lái)。這正是shell自己的“杰作”,它通過(guò)C 語(yǔ)言里頭的pipe函數(shù)創(chuàng)建了一個(gè)管道(一個(gè)包含兩個(gè)文件描述符的整形數(shù)組,一個(gè)描述符用于寫入數(shù)據(jù),一個(gè)描述符用于讀入數(shù)據(jù)),并且通過(guò) dup/fcntl把cat的輸出復(fù)制到了管道的輸入,而把管道的輸出則復(fù)制到了grep的輸入。這真是一個(gè)奇妙的想法。
               
                那&呢?當(dāng)你在程序的最后跟上這個(gè)奇妙的字符以后就可以接著做其他事情了,看看效果,
            Quote:

            $ sleep 50 &   #讓程序在后臺(tái)運(yùn)行
            [1] 8261
            $ fg %1      #提示符被打印出來(lái),可以輸入東西,讓程序到前臺(tái)運(yùn)行,無(wú)法輸入東西了,按下CTRL+Z,再讓程序到后臺(tái)運(yùn)行
            sleep 50

            [1]+  Stopped                 sleep 50
            $ fg %1   #再調(diào)到前臺(tái)
            sleep 50


                實(shí)際上&正是shell支持作業(yè)控制的表征,通過(guò)作業(yè)控制,用戶在命令行上可以同時(shí)作幾個(gè)事情(把當(dāng)前不做的放到后臺(tái),用&或者CTRL +Z或者bg)并且可以自由的選擇當(dāng)前需要執(zhí)行哪一個(gè)(用fg調(diào)到前臺(tái))。這在實(shí)現(xiàn)時(shí)應(yīng)該涉及到很多東西,包括終端會(huì)話(session)、終端信號(hào)、前 臺(tái)進(jìn)程、后臺(tái)進(jìn)程等。而在命令的后面加上&后,該命令將被作為后臺(tái)進(jìn)程執(zhí)行,后臺(tái)進(jìn)程是什么呢?這類進(jìn)程無(wú)法接收用戶發(fā)送給終端的信號(hào)(如 SIGHUP,SIGQUIT,SIGINT),無(wú)法響應(yīng)鍵盤輸入(被前臺(tái)進(jìn)程占用著),不過(guò)可以通過(guò)fg切換到前臺(tái)而享受作為前臺(tái)進(jìn)程具有的特權(quán)。
                因此,當(dāng)一個(gè)命令被加上&執(zhí)行后,shell必須讓它具有后臺(tái)進(jìn)程的特征,讓它無(wú)法響應(yīng)鍵盤的輸入,無(wú)法響應(yīng)終端的信號(hào)(意味忽略這些信號(hào)),并 且比較重要的是新的命令提示符得打印出來(lái),并且讓命令行接口可以繼續(xù)執(zhí)行其他命令,這些就是shell對(duì)&的執(zhí)行動(dòng)作。

                還有什么神秘的呢?你也可以寫自己的shell了,并且可以讓內(nèi)核啟動(dòng)后就執(zhí)行它l,在lilo或者grub的啟動(dòng)參數(shù)上設(shè)置init= /path/to/your/own/shell/program就可以。當(dāng)然,也可以把它作為自己的登錄shell,只需要放到/etc/passwd 文件中相應(yīng)用戶名所在行的最后就可以。不過(guò)貌似到現(xiàn)在還沒(méi)介紹shell是怎么執(zhí)行程序,是怎樣讓程序變成進(jìn)程的,所以繼續(xù)。

            1.3.3 /bin/bash用什么魔法讓一個(gè)普通程序變成了進(jìn)程

                當(dāng)我們從鍵盤鍵入一串命令,shell奇妙的響應(yīng)了,對(duì)于內(nèi)置命令和函數(shù),shell自身就可以解析了(通過(guò)switch case之類的C語(yǔ)言語(yǔ)句)。但是,如果這個(gè)命令是磁盤上的一個(gè)文件呢。它找到該文件以后,怎么執(zhí)行它的呢?
                還是用strace來(lái)跟蹤一個(gè)命令的執(zhí)行過(guò)程看看。
            Quote:

            $ strace -f -o strace.log /usr/bin/test
            hello, world!
            $ cat strace.log | sed -ne "1p"   #我們對(duì)第一行很感興趣
            8445  execve("/usr/bin/test", ["/usr/bin/test"], [/* 33 vars */]) = 0


                從跟蹤到的結(jié)果的第一行可以看到bash通過(guò)execve調(diào)用了/usr/bin/test,并且給它傳了33個(gè)參數(shù)。這33個(gè)vars是什么呢?看看 declare -x的結(jié)果(這個(gè)結(jié)果只有32個(gè),原因是vars的最后一個(gè)變量需要是一個(gè)結(jié)束標(biāo)志,即NULL)。

            Quote:

            $ declare -x | wc -l   #declare -x聲明的環(huán)境變量將被導(dǎo)出到子進(jìn)程中
            32
            $ export TEST="just a test"   #為了認(rèn)證declare -x和之前的vars的個(gè)數(shù)的關(guān)系,再加一個(gè)
            $ declare -x | wc -l
            33
            $ strace -f -o strace.log /usr/bin/test   #再次跟蹤,看看這個(gè)關(guān)系
            hello, world!
            $ cat strace.log | sed -ne "1p"   
            8523  execve("/usr/bin/test", ["/usr/bin/test"], [/* 34 vars */]) = 0



                通過(guò)這個(gè)演示發(fā)現(xiàn),當(dāng)前shell的環(huán)境變量中被設(shè)置為export的變量被復(fù)制到了新的程序里頭。不過(guò)雖然我們認(rèn)為shell執(zhí)行新程序時(shí)是在一個(gè)新的 進(jìn)程里頭執(zhí)行的,但是strace并沒(méi)有跟蹤到諸如fork的系統(tǒng)調(diào)用(可能是strace自己設(shè)計(jì)的時(shí)候并沒(méi)有跟蹤fork,或者是在fork之后才跟 蹤)。但是有一個(gè)事實(shí)我們不得不承認(rèn):當(dāng)前shell并沒(méi)有被新程序的進(jìn)程替換,所以說(shuō)shell肯定是先調(diào)用fork(也有可能是vfork)創(chuàng)建了一 個(gè)子進(jìn)程,然后再調(diào)用execve執(zhí)行新程序的。如果你還不相信,那么直接通過(guò)exec執(zhí)行新程序看看,這個(gè)可是直接把當(dāng)前shell的進(jìn)程替換掉的。

            Quote:

            exec /usr/bin/test


                應(yīng)該可以看到當(dāng)前shell“嘩”(聽(tīng)不到,突然沒(méi)了而已)的一下就沒(méi)有了。
                下面來(lái)模擬一下shell執(zhí)行普通程序。multiprocess相當(dāng)于當(dāng)前shell,而/usr/bin/test則相當(dāng)于通過(guò)命令行傳遞給shell的一個(gè)程序。這里是代碼:



            Code:

            [Ctrl+A Select All]


                運(yùn)行看看,
            Quote:

            $ make multiprocess
            $ ./multiprocess
            child: my pid is 2251
            child: my parent's pid is 2250
            hello, world!
            parent: my pid is 2250
            parent: wait for my child exit successfully!


                從執(zhí)行結(jié)果可以看出,/usr/bin/test在multiprocess的子進(jìn)程中運(yùn)行并不干擾父進(jìn)程,因?yàn)楦高M(jìn)程一直等到了/usr/bin/test執(zhí)行完成。
                再回頭看看代碼,你會(huì)發(fā)現(xiàn)execlp并沒(méi)有傳遞任何環(huán)境變量信息給/usr/bin/test,到底是怎么把環(huán)境變量傳送過(guò)去的呢?通過(guò)man exec我們可以看到一組exec的調(diào)用,在里頭并沒(méi)有發(fā)現(xiàn)execve,但是通過(guò)man execve可以看到該系統(tǒng)調(diào)用。實(shí)際上exec的那一組調(diào)用都只是libc庫(kù)提供的,而execve才是真正的系統(tǒng)調(diào)用,也就是說(shuō)無(wú)論使用exec調(diào)用 中的哪一個(gè),最終調(diào)用的都是execve,如果使用execlp,那么execlp將通過(guò)一定的處理把參數(shù)轉(zhuǎn)換為execve的參數(shù)。因此,雖然我們沒(méi)有 傳遞任何環(huán)境變量給execlp,但是默認(rèn)情況下,execlp把父進(jìn)程的環(huán)境變量復(fù)制給了子進(jìn)程,而這個(gè)動(dòng)作是在execlp函數(shù)內(nèi)部完成的。
                現(xiàn)在,總結(jié)一下execve,它有有三個(gè)參數(shù),
                第一個(gè)是程序本身的絕對(duì)路徑,對(duì)于剛才使用的execlp,我們沒(méi)有指定路徑,這意味著它會(huì)設(shè)法到PATH環(huán)境變量指定的路徑下去尋找程序的全路徑。
                第二個(gè)參數(shù)是一個(gè)將傳遞給被它執(zhí)行的程序的參數(shù)數(shù)組指針。正是這個(gè)參數(shù)把我們從命令行上輸入的那些參數(shù),諸如grep命令的-v等傳遞給了新程序,可以通過(guò)main函數(shù)的第二個(gè)參數(shù)char *argv[]獲得這些內(nèi)容。
                第三個(gè)參數(shù)是一個(gè)將傳遞給被它執(zhí)行的程序的環(huán)境變量,這些環(huán)境變量也可以通過(guò)main函數(shù)的第三個(gè)變量獲取,只要定義一個(gè)char *env[]就可以了,只是通常不直接用它罷了,而是通過(guò)另外的方式,通過(guò)extern char **environ全局變量(環(huán)境變量表的指針)或者getenv函數(shù)來(lái)獲取某個(gè)環(huán)境變量的值。
                當(dāng)然,實(shí)際上,當(dāng)程序被execve執(zhí)行后,它被加載到了內(nèi)存里,包括程序的各種指令、數(shù)據(jù)以及傳遞給它的各種參數(shù)、環(huán)境變量等都被存放在系統(tǒng)分配給該程序的內(nèi)存空間中。
                我們可以通過(guò)/proc/<pid>/maps把一個(gè)程序?qū)?yīng)的進(jìn)程的內(nèi)存映象看個(gè)大概。
            Quote:

            $ cat /proc/self/maps   #查看cat程序自身加載后對(duì)應(yīng)進(jìn)程的內(nèi)存映像
            08048000-0804c000 r-xp 00000000 03:01 273716     /bin/cat
            0804c000-0804d000 rw-p 00003000 03:01 273716     /bin/cat
            0804d000-0806e000 rw-p 0804d000 00:00 0          [heap]
            b7c46000-b7e46000 r--p 00000000 03:01 87528      /usr/lib/locale/locale-archive
            b7e46000-b7e47000 rw-p b7e46000 00:00 0
            b7e47000-b7f83000 r-xp 00000000 03:01 466875     /lib/libc-2.5.so
            b7f83000-b7f84000 r--p 0013c000 03:01 466875     /lib/libc-2.5.so
            b7f84000-b7f86000 rw-p 0013d000 03:01 466875     /lib/libc-2.5.so
            b7f86000-b7f8a000 rw-p b7f86000 00:00 0
            b7fa1000-b7fbc000 r-xp 00000000 03:01 402817     /lib/ld-2.5.so
            b7fbc000-b7fbe000 rw-p 0001b000 03:01 402817     /lib/ld-2.5.so
            bfcdf000-bfcf4000 rw-p bfcdf000 00:00 0          [stack]
            ffffe000-fffff000 r-xp 00000000 00:00 0          [vdso]


                關(guān)于程序加載和進(jìn)程內(nèi)存映像的更多細(xì)節(jié)請(qǐng)參考《C語(yǔ)言程序緩沖區(qū)注入分析》。

                到這里,關(guān)于命令行的秘密都被“曝光”了,可以開(kāi)始寫自己的命令行解釋程序了。
                關(guān)于進(jìn)程的相關(guān)操作請(qǐng)參考《shell編程范例之進(jìn)程操作》。

            補(bǔ)充:上面沒(méi)有討論到一個(gè)比較重要的內(nèi)容,那就是即使execve找到了某個(gè)可執(zhí)行文件,如果該文件屬主沒(méi)有運(yùn)行該程序的權(quán)限,那么也沒(méi)有辦法運(yùn)行程序。可通過(guò)ls -l查看程序的權(quán)限,通過(guò)chmod添加或者去掉可執(zhí)行權(quán)限。

          4. 文件屬主具有可執(zhí)行權(quán)限時(shí)才可以執(zhí)行某個(gè)程序
            Quote:

            whoami
            falcon
            $ ls -l hello  #查看用戶權(quán)限(第一個(gè)x表示屬主對(duì)該程序具有可執(zhí)行權(quán)限
            -rwxr-xr-x 1 falcon users 6383 2000-01-23 07:59 hello*
            $ ./hello
            Hello World
            $ chmod -x hello  #去掉屬主的可執(zhí)行權(quán)限
            $ ls -l hello
            -rw-r--r-- 1 falcon users 6383 2000-01-23 07:59 hello
            $ ./hello
            -bash: ./hello: Permission denied


               
            參考的資料:

            [1] man boot-scripts
            Linux啟動(dòng)過(guò)程
            [2] man bootparam
            Linux內(nèi)核啟動(dòng)參數(shù)
            [3] man 5 passwd
            [4] man shadow
            [5] "UNIX環(huán)境高級(jí)編程",進(jìn)程關(guān)系一章
            [6] 2006,2007 Summer School hold by DSLab
            http://dslab.lzu.edu.cn/docs/2007summerschool/index.html
            http://dslab.lzu.edu.cn/docs/2006summerschool/index.html
          5. posted on 2008-03-14 15:27 隨意門 閱讀(3606) 評(píng)論(1)  編輯 收藏 引用

            評(píng)論

            # re: Linux命令行上程序執(zhí)行的那一剎那! 2014-09-02 01:08 chaosink

            寫的太好了,贊!

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