Linux命令行-第5章@懂我bash shell命令①-父子关系

第 5章 理解shell

本章内容
 探究shell的类型
 理解shell的父/子关系  别出心裁的子shell用法  探究内建的shell命令
现在你已经学到了一些shell的基础知识，例如如何进入shell以及初级的shell命令，是时候去一探shell进程的究竟了。要想理解shell，得先理解一些CLI。
shell不单单是一种CLI。它是一个时刻都在运行的复杂交互式程序。输入命令并利用shell来运行脚本会出现一些既有趣又令人困惑的问题。搞清楚shell进程以及它与系统之间的关系能够帮助你解决这些难题，或是完全避开它们。
本章将会带你全面学习shell进程。你会了解到如何创建子shell以及父shell与子shell之间的关系。探究各种用于创建子进程的命令和内建命令。另外还有一些shell的窍门和技巧等你一试。

5.1 shell的类型

系统启动什么样的shell程序取决于你个人的用户ID配置。在/etc/passwd文件中，在用户ID记录的第7个字段中列出了默认的shell程序。只要用户登录到某个虚拟控制台终端或是在GUI中启动终端仿真器，默认的shell程序就会开始运行。
在下面的例子中，用户christine使用GNU bash shell作为自己的默认shell程序：

$ cat /etc/passwd 
[...] 
Christine:x:501:501:Christine B:/home/Christine:/bin/bash $ 

bash shell程序位于/bin目录内。从长列表中可以看出/bin/bash（bash shell）是一个可执行程序：

$ ls -lF /bin/bash 
-rwxr-xr-x. 1 root root 938832 Jul 18  2013 /bin/bash* $ 

本书所使用的CentOS发行版中还有其他一些shell程序。其中包括tcsh，它源自最初的C shell：

$ ls -lF /bin/tcsh 
-rwxr-xr-x. 1 root root 387328 Feb 21  2013 /bin/tcsh* $ 

另外还包括ash shell的Debian版：

$ ls -lF /bin/dash 
-rwxr-xr-x. 1 root root 109672 Oct 17  2012 /bin/dash* $ 

最后，C shell的软链接（参见第3章）指向的是tcsh shell：

$ ls -lF /bin/csh 
lrwxrwxrwx. 1 root root 4 Mar 18 15:16 /bin/csh -> tcsh* $ 

这些shell程序各自都可以被设置成用户的默认shell。不过由于bash shell的广为流行，很少有人使用其他的shell作为默认shell。
说明 第1章对各种shell有一个简单的描述。如果你想进一步学习GNU bash shell之外的shell，第23章提供了更多的相关信息。
默认的交互shell会在用户登录某个虚拟控制台终端或在GUI中运行终端仿真器时启动。不过还有另外一个默认shell是/bin/sh，它作为默认的系统shell，用于那些需要在启动时使用的系统shell脚本。
你经常会看到某些发行版使用软链接将默认的系统shell设置成bash shell，如本书所使用的CentOS发行版：

$ ls -l /bin/sh 
lrwxrwxrwx. 1 root root 4 Mar 18 15:05 /bin/sh -> bash $ 

但要注意的是在有些发行版上，默认的系统shell和默认的交互shell并不相同，例如在Ubuntu发行版中：

$ cat /etc/passwd 
[...] 
christine:x:1000:1000:Christine,,,:/home/christine:/bin/bash $ 
$ ls -l /bin/sh 
lrwxrwxrwx 1 root root 4 Apr 22 12:33 /bin/sh -> dash 
$ 

注意，用户christine默认的交互shell是/bin/bash，也就是bash shell。但是作为默认系统shell的/bin/sh被设置为dash shell。

窍门 对bash shell脚本来说，这两种不同的shell（默认的交互shell和默认的系统shell）会造成问题。一定要阅读第11章中有关bash shell脚本首行的语法要求，以避免这些麻烦。 并不是必须一直使用默认的交互shell。可以使用发行版中所有可用的shell，只需要输入对应的文件名就行了。例如，你可以直接输入命令/bin/dash来启动dash shell。

$ /bin/dash $ 

除启动了dash shell程序之外，看起来似乎什么都没有发生。提示符$是dash shell的CLI提示符。可以输入exit来退出dash shell。

$ exit exit 
$ 

这一次好像还是什么都没有发生，但是dash shell程序已经退出了。为了理解这个过程，我们将在下一节中探究登录shell程序与新启动的shell程序之间的关系。

5.2 shell的父子关系

用于登录某个虚拟控制器终端或在GUI中运行终端仿真器时所启动的默认的交互shell，是一个父shell。本书到目前为止都是父shell提供CLI提示符，然后等待命令输入。
在CLI提示符后输入/bin/bash命令或其他等效的bash命令时，会创建一个新的shell程序。这个shell程序被称为子shell（child shell）。子shell也拥有CLI提示符，同样会等待命令输入。
当输入bash、生成子shell的时候，你是看不到任何相关的信息的，因此需要另一条命令帮助我们理清这一切。第4章中讲过的ps命令能够派上用场，在生成子shell的前后配合选项–f来使用。

$ ps -f 
UID        PID  PPID  C STIME TTY          TIME CMD 
501       1841  1840  0 11:50 pts/0    00:00:00 -bash 501       2429  1841  4 13:44 pts/0    00:00:00 ps -f $ 
$ bash 
$ 
$ ps -f 
UID        PID  PPID  C STIME TTY          TIME CMD 
501       1841  1840  0 11:50 pts/0    00:00:00 -bash 501       2430  1841  0 13:44 pts/0    00:00:00 bash 
501       2444  2430  1 13:44 pts/0    00:00:00 ps -f $ 

第一次使用ps –f的时候，显示出了两个进程。其中一个进程的进程ID是1841（第二列），运行的是bash shell程序（最后一列）。另一个进程（进程ID为2429）对应的是命令ps –f。

说明 进程就是正在运行的程序。bash shell是一个程序，当它运行的时候，就成为了一个进程。
一个运行着的shell就是某种进程而已。因此，在说到运行一个bash shell的时候，你经常会看到“shell”和“进程”这两个词交换使用。
输入命令bash之后，一个子shell就出现了。第二个ps -f是在子shell中执行的。可以从显示结果中看到有两个bash shell程序在运行。第一个bash shell程序，也就是父shell进程，其原始进程ID是1814。第二个bash shell程序，即子shell进程，其PID是2430。注意，子shell的父进程ID（PPID）是1841，指明了这个父shell进程就是该子shell的父进程。图5-1展示了这种关系。
图5-1 bash shell进程的父子关系

在生成子shell进程时，只有部分父进程的环境被复制到子shell环境中。这会对包括变量在内的一些东西造成影响，我们会在第6章中谈及相关的内容。
子shell（child shell，也叫subshell）可以从父shell中创建，也可以从另一个子shell中创建。

$ ps -f 
UID        PID  PPID  C STIME TTY          TIME CMD 
501       1841  1840  0 11:50 pts/0    00:00:00 -bash 501       2532  1841  1 14:22 pts/0    00:00:00 ps -f $ 
$ bash 
$ 
$ bash 
$ 
$ bash 
$ 
$ ps --forest 
  PID TTY          TIME CMD 
 1841 pts/0    00:00:00 bash 
 2533 pts/0    00:00:00  _ bash 
 2546 pts/0    00:00:00      _ bash 
 2562 pts/0    00:00:00          _ bash 
 2576 pts/0    00:00:00              _ ps 
$ 

在上面的例子中，bash命令被输入了三次。这实际上创建了三个子shell。ps -forest命令展示了这些子shell间的嵌套结构。图5-2中也展示了这种关系。

图5-2 子shell的嵌套关系

ps -f命令也能够表现子shell的嵌套关系，因为它能够通过PPID列显示出谁是谁的父进程。

$ ps -f 
UID        PID  PPID  C STIME TTY          TIME CMD 
501       1841  1840  0 11:50 pts/0    00:00:00 -bash 501       2533  1841  0 14:22 pts/0    00:00:00 bash 
501       2546  2533  0 14:22 pts/0    00:00:00 bash 
501       2562  2546  0 14:24 pts/0    00:00:00 bash 
501       2585  2562  1 14:29 pts/0    00:00:00 ps -f $ 

bash shell程序可使用命令行参数修改shell启动方式。表5-1列举了bash中可用的命令行参数。
表5-1 bash命令行参数

可以输入man bash获得关于bash命令的更多帮助信息，了解更多的命令行参数。bash —help命令也会提供一些额外的协助。
可以利用exit命令有条不紊地退出子shell。

$ exit 
exit 
$ 
$ ps --forest 
  PID TTY          TIME CMD 
 1841 pts/0    00:00:00 bash 
 2533 pts/0    00:00:00  _ bash 
 2546 pts/0    00:00:00      _ bash 
 2602 pts/0    00:00:00          _ ps $ 
$ exit 
exit 
$ 
$ exit 
exit 
$ 
$ ps --forest 
  PID TTY          TIME CMD 
 1841 pts/0    00:00:00 bash 
 2604 pts/0    00:00:00  _ ps 
$ 

exit命令不仅能退出子shell，还能用来登出当前的虚拟控制台终端或终端仿真器软件。只需要在父shell中输入exit，就能够从容退出CLI了。
运行shell脚本也能够创建出子shell。在第11章，你将会学习到相关话题的更多知识。
就算是不使用bash shell命令或是运行shell脚本，你也可以生成子shell。一种方法就是使用进程列表。

5.2.1 进程列表

你可以在一行中指定要依次运行的一系列命令。这可以通过命令列表来实现，只需要在命令之间加入分号（;）即可。

$ pwd ; ls ; cd /etc ; pwd ; cd ; pwd ; ls 
/home/Christine 
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/etc 
/home/Christine 
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$ 

在上面的例子中，所有的命令依次执行，不存在任何问题。不过这并不是进程列表。命令列表要想成为进程列表，这些命令必须包含在括号里。

$ (pwd ; ls ; cd /etc ; pwd ; cd ; pwd ; ls) 
/home/Christine 
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/etc 
/home/Christine 
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$ 

尽管多出来的括号看起来没有什么太大的不同，但起到的效果确是非同寻常。括号的加入使命令列表变成了进程列表，生成了一个子shell来执行对应的命令。
说明 进程列表是一种命令分组（command grouping）。另一种命令分组是将命令放入花括号中，并在命令列表尾部加上分号（;）。语法为{ command; }。使用花括号进行命令分组并不会像进程列表那样创建出子shell。要想知道是否生成了子shell，得借助一个使用了环境变量的命令。（环境变量会在第6章中详述。）这个命令就是echo $BASH_SUBSHELL。如果该命令返回0，就表明没有子shell。如果返回1或者其他更大的数字，就表明存在子shell。
下面的例子中使用了一个命令列表，列表尾部是echo

$BASH_SUBSHELL。 
$ pwd ; ls ; cd /etc ; pwd ; cd ; pwd ; ls ; echo $BASH_SUBSHELL /home/Christine 
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/etc 
/home/Christine 
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在命令输出的最后，显示的是数字0。这就表明这些命令不是在子shell中运行的。
要是使用进程列表的话，结果就不一样了。在列表最后加入echo

$BASH_SUBSHELL。 
$ (pwd ; ls ; cd /etc ; pwd ; cd ; pwd ; ls ; echo $BASH_SUBSHELL) /home/Christine 
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/etc 
/home/Christine 
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这次在命令输入的最后显示出了数字1。这表明的确创建了子shell，并用于执行这些命令。
所以说，命令列表就是使用括号包围起来的一组命令，它能够创建出子shell来执行这些命令。你甚至可以在命令列表中嵌套括号来创建子shell的子shell。

$ ( pwd ; echo $BASH_SUBSHELL) 
/home/Christine 
1 
$ ( pwd ; (echo $BASH_SUBSHELL)) /home/Christine 
2 

注意，在第一个进程列表中，数字1表明了一个子shell，这个结果和预期的一样。但是在第二个进程列表中，在命令echo $BASH_SUBSHELL外面又多出了一对括号。这对括号在子shell中产生了另一个子shell来执行命令。因此数字2表明的就是这个子shell。
在shell脚本中，经常使用子shell进行多进程处理。但是采用子shell的成本不菲，会明显拖慢处理速度。在交互式的CLI shell会话中，子shell同样存在问题。它并非真正的多进程处理，因为终端控制着子shell的I/O。

5.2.2 别出心裁的子shell用法

在交互式的shell CLI中，还有很多更富有成效的子shell用法。进程列表、协程和管道（第11章会讲到）都利用了子shell。它们都可以有效地在交互式shell中使用。
在交互式shell中，一个高效的子shell用法就是使用后台模式。在讨论如果将后台模式与子shell搭配使用之前，你得先搞明白什么是后台模式。
1. 探索后台模式
在后台模式中运行命令可以在处理命令的同时让出CLI，以供他用。演示后台模式的一个经典命令就是sleep。
sleep命令接受一个参数，该参数是你希望进程等待（睡眠）的秒数。这个命令在脚本中常用于引入一段时间的暂停。命令sleep 10会将会话暂停10秒钟，然后返回shell CLI提示符。

$ sleep 10 $ 

要想将命令置入后台模式，可以在命令末尾加上字符&。把sleep命令置入后台模式可以让我们利用ps命令来小窥一番。

$ sleep 3000& 
[1] 2396 
$ ps -f 
UID        PID  PPID  C STIME TTY          TIME CMD 
christi+  2338  2337  0 10:13 pts/9    00:00:00 -bash 
christi+  2396  2338  0 10:17 pts/9    00:00:00 sleep 3000 christi+  2397  2338  0 10:17 pts/9    00:00:00 ps -f 
$ 

sleep命令会在后台（&）睡眠3000秒（50分钟）。当它被置入后台，在shell CLI提示符返回之前，会出现两条信息。第一条信息是显示在方括号中的后台作业（background job）号（1）。第二条是后台作业的进程ID（2396）。
ps命令用来显示各种进程。我们可以注意到命令sleep 3000已经被列出来了。在第二列显示的进程ID（PID）和命令进入后台时所显示的PID是一样的，都是2396。
除了ps命令，你也可以使用jobs命令来显示后台作业信息。jobs命令可以显示出当前运行在后台模式中的所有用户的进程（作业）。

$ jobs 
[1]+  Running                 sleep 3000 & $ 

jobs命令在方括号中显示出作业号（1）。它还显示了作业的当前状态（running）以及对应的命令（sleep 3000 &）。
利用jobs命令的-l（字母L的小写形式）选项，你还能够看到更多的相关信息。除了默认信息之外，-l选项还能够显示出命令的PID。

$ jobs -l 
[1]+  2396 Running                 sleep 3000 & $ 

一旦后台作业完成，就会显示出结束状态。
[1]+ Done sleep 3000 & $
窍门 需要提醒的是：后台作业的结束状态可未必会一直等待到合适的时候才现身。当作业结束状态突然出现在屏幕上的时候，你可别吃惊啊。
后台模式非常方便，它可以让我们在CLI中创建出有实用价值的子shell。

2. 将进程列表置入后台
之前说过，进程列表是运行在子shell中的一条或多条命令。使用包含了sleep命令的进程列表，并显示出变量BASH_SUBSHELL，结果和期望的一样。

$ (sleep 2 ; echo $BASH_SUBSHELL ; sleep 2) 1 
$ 

在上面的例子中，有一个2秒钟的暂停，显示出的数字1表明只有一个子shell，在返回提示符之前又经历了另一个2秒钟的暂停。没什么大事。
将相同的进程列表置入后台模式会在命令输出上表现出些许不同。

$ (sleep 2 ; echo $BASH_SUBSHELL ; sleep 2)& [2] 2401 
$ 1 
[2]+  Done                  ( sleep 2; echo $BASH_SUBSHELL; sleep 2 ) $ 

把进程列表置入后台会产生一个作业号和进程ID，然后返回到提示符。不过奇怪的是表明单一级子shell的数字1显示在了提示符的旁边！不要不知所措，只需要按一下回车键，就会得到另一个提示符。
在CLI中运用子shell的创造性方法之一就是将进程列表置入后台模式。你既可以在子shell中进行繁重的处理工作，同时也不会让子shell的I/O受制于终端。
当然了，sleep和echo命令的进程列表只是作为一个示例而已。使用tar（参见第4章）创建备份文件是有效利用后台进程列表的一个更实用的例子。

$ (tar -cf Rich.tar /home/rich ; tar -cf My.tar /home/christine)& [3] 2423 
$ 

将进程列表置入后台模式并不是子shell在CLI中仅有的创造性用法。协程就是另一种方法。
3. 协程
协程可以同时做两件事。它在后台生成一个子shell，并在这个子shell中执行命令。
要进行协程处理，得使用coproc命令，还有要在子shell中执行的命令。

$ coproc sleep 10 [1] 2544 
$ 

除了会创建子shell之外，协程基本上就是将命令置入后台模式。当输入coproc命令及其参数之后，你会发现启用了一个后台作业。屏幕上会显示出后台作业号（1）以及进程ID（2544）。 jobs命令能够显示出协程的处理状态。

$ jobs 
[1]+  Running                 coproc COPROC sleep 10 & $ 

在上面的例子中可以看到在子shell中执行的后台命令是coproc COPROC sleep 10。COPROC是coproc命令给进程起的名字。你可以使用命令的扩展语法自己设置这个名字。

$ coproc My_Job { sleep 10; } 
[1] 2570 
$ 
$ jobs 
[1]+  Running                 coproc My_Job { sleep 10; } & $ 

通过使用扩展语法，协程的名字被设置成My_Job。这里要注意的是，扩展语法写起来有点麻烦。必须确保在第一个花括号（{）和命令名之间有一个空格。还必须保证命令以分号（;）结尾。另外，分号和闭花括号（}）之间也得有一个空格。
说明 协程能够让你尽情发挥想象力，发送或接收来自子shell中进程的信息。只有在拥有多个协程的时候才需要对协程进行命名，因为你得和它们进行通信。否则的话，让coproc命令将其设置成默认的名字COPROC就行了。

你可以发挥才智，将协程与进程列表结合起来产生嵌套的子shell。只需要输入进程列表，然后把命令coproc放在前面就行了。

$ coproc ( sleep 10; sleep 2 ) 
[1] 2574 
$ 
$ jobs 
[1]+  Running     coproc COPROC ( sleep 10; sleep 2 ) & $ 
$ ps --forest 
  PID TTY          TIME CMD 
 2483 pts/12   00:00:00 bash 
 2574 pts/12   00:00:00  _ bash 
 2575 pts/12   00:00:00  |   _ sleep 
 2576 pts/12   00:00:00  _ ps $ 

记住，生成子shell的成本不低，而且速度还慢。创建嵌套子shell更是火上浇油！
在命令行中使用子shell能够获得灵活性和便利。要想获得这些优势，重要的是理解子shell的行为方式。对于命令也是如此。在下一节中，我们将研究内建命令与外部命令之间的行为差异。

代码007普通

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