bash內置命令的特殊性，後臺任務的"本質"

時間  2019-11-06
標籤 bash 內置 命令 特殊性 後臺 任務 本質 欄目 Unix 简体版
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本文解釋bash內置命令的特殊性、前臺、後臺任務的"本質"，以及前、後臺任務和bash進程、終端的關係。網上沒相似的資料，因此都是本身的感悟和總結，若有錯誤，120分的期待盼請指正。html

由於要詳細分析每個涉及到的內容，我用了不少示例，因此結論比較分散。所以在文章的結尾，我將這些結論大概作了個總結。shell

1.引子：一個示例

首先經過一個示例作個引子。bash

當直接在當前bash環境下執行一個普通命令，這個普通命令的進程會掛在當前bash進程之下(即父進程爲當前bash進程)。ssh

例如：工具

# 在窗口1執行：
[root@xuexi ~]# sleep 30

# 在窗口2查看sleep進程信息：
[root@xuexi ~]# pstree -p | grep slee[p]
           |-sshd(1145)---sshd(5230)-+-bash(5232)---sleep(5599)

若是，在當前bash環境下將普通命令放入後臺執行，這個命令的進程仍是會掛在當前bash進程下。ui

若是是在當前bash環境下執行一個內置命令呢？由於是內置命令，它不會有本身的進程(緣由後文解釋)。this

# 窗口1查詢當前bash進程信息
[root@xuexi ~]# pstree -p | grep bas[h]
           |-sshd(1145)---sshd(5230)-+-bash(5232)---sleep(5642)
           |                         `-bash(5557)-+-grep(5644)

# 窗口2執行bash內置命令if
[root@xuexi ~]# if true;then sleep 30;fi

# 回到窗口1查詢當前bash進程信息，和前面是同樣的
[root@xuexi ~]# pstree -p | grep bas[h]
           |-sshd(1145)---sshd(5230)-+-bash(5232)---sleep(5642)
           |                         `-bash(5557)-+-grep(5644)

發現bash進程沒有任何變化。code

再若是一次，將bash內置命令放入後臺執行呢？htm

例如：blog

# 當前bash進程信息
[root@xuexi ~]# pstree -p | grep bas[h]
           |-sshd(1145)---sshd(5230)-+-bash(5232)
           |                         `-bash(5557)-+-grep(5634)

[root@xuexi ~]# if true;then sleep 30;fi &
[1] 5635

# 再次查看bash進程信息
[root@xuexi ~]# pstree -p | grep bas[h]
           |-sshd(1145)---sshd(5230)-+-bash(5232)---bash(5635)---sleep(5636)
           |                         `-bash(5557)-+-grep(5638)

結果發現，多了一個bash進程。爲何會如此？

2.bash進程和bash內置命令

當登錄Linux系統時，會爲用戶分配一個shell。若是在/etc/passwd中該用戶配置的shell爲 /bin/bash ，那麼就爲用戶分配一個bash shell。

[root@xuexi ~]# head -1 /etc/passwd
root:x:0:0:root:/root:/bin/bash

當登錄用戶的身份審覈經過後，就會加載bash進程，bash進程再加載它的各個配置文件(/etc/profile、/etc/profile.d/*.sh、~/.bashrc等)，從而配置好bash的執行環境。注意"執行環境"這個詞，它將貫穿本文。

再來講bash內置命令。

bash內置命令和普通的命令都能在bash環境下執行，並實現它們對應的功能。但它們卻有很大區別，最典型的一個區別是ps等工具能捕捉到普通命令的進程，卻捕捉不到bash內置命令的進程。

那麼哪些是bash內置命令呢？只要查它的man文檔時，給出bash文檔的都是bash內置命令，如cd、declare、read等。但不表明man時不是bash手冊的就不是內置命令，例如kill、echo、pwd、test等。

如下是內置命令列表。

bash, :, ., [, alias, bg, bind, break, builtin, caller, cd, command, compgen, complete, compopt, continue, declare, dirs, disown, echo, enable, eval, exec, exit, export, false, fc, fg, getopts, hash, help, history, jobs, kill, let, local, logout, mapfile, popd, printf, pushd, pwd, read, readonly, return, set, shift, shopt, source, suspend, test, times, trap, true, type, typeset, ulimit, umask, unalias, unset, wait

除此以外，還有一些保留關鍵字也是bash內置命令。包括：

! case do done elif else esac fi for function if in select then until while { } time [[ ]]

那麼bash內置命令和bash進程有什麼關係？

bash內置命令和普通命令不同。普通命令能夠直接執行，不依賴於某種執行環境。例如，sleep命令，能夠直接以pid=1的init/systemd爲父進程而執行。那些daemon類的服務進程更是如此，它們不依賴於終端，也不依賴於執行環境，只要給它們配置好，就能夠直接找init/systemd當爹。

而bash內置命令，既然稱之爲"bash內置命令"，顧名思義是bash內置的。當咱們在當前bash環境下執行bash內置命令，通過shell的一輪解析以後，發現這是個bash內置命令，因而直接在當前bash進程的內部調用執行它們。因此bash內置命令自身是沒有進程的。

換句話說，bash內置命令的執行是由它們的bash爹帶着它們執行的。這個bash爹是一個負責任的好爹，什麼都幫它們準備好，還帶着它們一塊兒浪。但正由於爹太負責，把孩子們給寵壞了，這些bash內置命令不管何時執行都必須先找好bash爹爲它們提供執行環境。

因而問題出現了，若是它們的bash爹死了怎麼辦(即bash進程被殺或者已經結束)？這個問題並不像想象中的那麼簡單。下面會很是詳細地結合後臺任務來分析它。

3.前臺任務和後臺任務的本質

後臺任務，是專業術語"做業"的一種。做業是指"能選擇性地中止、暫停、繼續運行某個進程的能力"，通俗地說就是做業用來控制誰能夠得到終端(前臺進程)、誰不能得到終端(後臺進程)。這和咱們理解的"放進看不見的後臺默默地執行"好像有點區別啊？這可有可無。

關於後臺任務，首先要說明的是後臺任務是怎麼實現的：經過bash和系統終端的驅動共同提供的交互式界面來實現後臺做業能力。在bash手冊中是如此解釋的：

A user typically employs this facility via an interactive interface supplied jointly by the operating system kernel’s terminal driver and Bash.

其實，當一個進程的進程組號和當前終端的進程組號相同，則這個進程是前臺進程，受鍵盤影響，能夠讀、寫終端。當一個進程的進程組號和當前終端的進程組號不一樣時，則這個進程是後臺進程，它們不受鍵盤影響，讀、寫終端時須要發送特定的信號。

換句話說，後臺任務依賴於當前所在的終端，由於它可能會恢復到前臺去運行。但當前終端每每會和一個bash進程關聯綁定，該bash進程具備當前終端的控制權，因此殺掉終端進程和殺掉當前所在bash進程都能結束一個終端，可是它們卻有本質上的區別，後文我用了軍營、將軍來比喻當前終端、當前bash進程的關係，這就是它們的區別，詳細內容見後文一步一步的分析。

當一個進程是前臺進程時，它是在當前bash進程下執行的，此時該bash進程失去控制權，也就是被阻塞。當進程進入後臺，意味着它會離開當前bash環境，進入後臺執行環境，由於只有離開當前bash環境，才能馬上將終端的控制權還給當前bash進程。

因而，能夠將當前終端進程、當前bash進程、前臺進程、後臺進程的關係大概理解爲下圖形式：

3.1 普通命令和bash內置命令放入後臺的區別

回頭看本文開頭的引子，爲何sleep 30 &的sleep進程是在當前bash進程下的，而if true;then sleep 30;fi &則會新開一個bash進程？

上一小節中說過：bash內置命令的執行依賴於bash進程提供的執行環境，而普通命令則沒有依賴性。

sleep 30 &的sleep是普通命令，不依賴於bash進程，因此它能夠直接進入後臺，但它畢竟是後臺任務，它暫時還依賴於當前終端，且受當前bash進程的控制(例如能放回前臺，能被bash查看後臺任務信息)，因此它暫時還必須掛在當前bash進程下。之因此是暫時，稍後就解釋。

[root@xuexi ~]# sleep 30 &
[1] 6300

[root@xuexi ~]# pstree -p | grep bas[h]
           |-sshd(1145)-+-sshd(5230)---bash(5557)-+-grep(6302)
           |            `-sshd(6047)---bash(6049)---sleep(6300)

而if true;then sleep 30;fi &是bash內置命令要放入後臺，放入後臺意味着它要離開當前bash環境，因此它在進入後臺開始執行前，必須新找一個bash爹爲它提供執行環境，因此它新生成了一個bash進程。

# 當前bash進程信息
[root@xuexi ~]# pstree -p | grep bas[h]
           |-sshd(1145)---sshd(5230)-+-bash(5232)
           |                         `-bash(5557)-+-grep(5634)

[root@xuexi ~]# if true;then sleep 30;fi &
[1] 5635

# 再次查看bash進程信息
[root@xuexi ~]# pstree -p | grep bas[h]
           |-sshd(1145)---sshd(5230)-+-bash(5232)---bash(5635)---sleep(5636)
           |                         `-bash(5557)-+-grep(5638)

補充一個小知識：其實這個新的bash爹和當前bash進程是不同的，這個新bash爹是非交互式的shell，能夠直接使用kill -15殺掉這個新bash進程。而交互式shell下，在沒有設置任何陷阱(trap)時，默認是忽略TERM信號的，沒法直接kill -15殺掉一個當前活動的bash進程。

因此，完善一下上面的圖：

3.2 殺掉後臺任務的父進程

仍是圍繞普通命令的後臺和bash內置命令的後臺任務來講明。

上一小節在解釋普通命令放入後臺執行時，後臺進程會掛在當前bash進程下，還特意加上了"暫時"兩個字。其實，普通命令的進程進入後臺時，它不是必定要掛在當前bash進程下的，甚至它再也不依賴於終端，之因此還暫時掛在當前bash進程下，是由於它仍是個後臺任務，還須要被當前bash管理。例如將其放回前臺，查看後臺任務列表，若是不在當前bash進程下，當前bash進程必然沒法管理它。

若是將當前bash進程或者當前終端進程殺掉，對普通命令的後臺任務會形成什麼影響？試試看。

# 在窗口1執行：
[root@xuexi ~]# sleep 67 & 
[1] 6464

# 在窗口2查看sleep進程的父進程
[root@xuexi ~]# pstree -p | grep sleep
           |            `-sshd(6047)---bash(6049)---sleep(6464)

# 殺掉父進程：bash進程。由於是交互式shell，因此必須使用SIGKILL信號
[root@xuexi ~]# kill -9 6049

# 再查看sleep進程
[root@xuexi ~]# pstree -p | grep sleep
           |-sleep(6464)

從結果中不難發現，殺掉後臺sleep進程的父進程bash(由於和終端綁定，因此也是殺掉終端)後，sleep進程沒有隨之停止，而是掛在init/systemd下。前面分析過，它是暫時掛在bash進程下的，它不依賴於bash進程，也不依賴於終端。

再來分析bash內置命令放入後臺時，殺掉它的父進程會如何。

以if true;then sleep 55;fi &爲例，這裏還要再細緻一點地分析它的父進程。

[root@xuexi ~]# if true;then sleep 55;fi &
[1] 6520
[root@xuexi ~]# pstree -p | grep sleep
           |         `-sshd(6476)---bash(6478)-+-bash(6520)---sleep(6521)

這裏的sleep有兩個父bash進程，其中pid=6520的是新生成的bash爹，pid=6478的是當前bash進程。是否注意到上面if放入後臺時返回的進程號爲6520，這個進程號對應的是新bash爹。換句話說，pid=6520的bash進程對應的是if命令，而這纔是後臺進程，但由於sleep在if所在bash進程的進程組內，因此sleep也是後臺進程。

因此，當殺掉pid=6520的bash進程後，表示殺掉的是普通命令sleep後臺的父進程，也就是if結構，因此sleep進程會直接掛在init/systemd下；當殺掉pid=6478的bash進程後，表示殺掉內置命令if(對應的是pid=6520的bash進程)的父進程，因此if命令的bash爹將帶着整個進程組掛在init/systemd下。

分別驗證它們。

# 殺掉新生成的bash爹
[root@xuexi ~]# if true;then sleep 55;fi &
[1] 6551

[root@xuexi ~]# pstree -p | grep sleep     
           |        `-sshd(6476)---bash(6478)-+-bash(6551)---sleep(6552)

[root@xuexi ~]# kill 6551

# 查看sleep進程，發現確實已經掛在Init/systemd下了
[root@xuexi ~]# pstree -p | grep sleep
           |-sleep(6552)
# 殺掉新生成的bash爹的父bash進程，也就是左邊那個bash進程

# 在窗口1執行
[root@xuexi ~]# if true;then sleep 55;fi &
[1] 6563

# 在窗口2執行
[root@xuexi ~]# pstree -p | grep sleep    
           |            `-sshd(6476)---bash(6478)-+-bash(6563)---sleep(6564)
[root@xuexi ~]# kill -9 6478

# 窗口2查看sleep進程，發現bash爹帶着整個進程組都掛在init/systemd下
[root@xuexi ~]# pstree -p | grep sleep
           |-bash(6563)---sleep(6564)

若是此時把pid=6563的bash爹殺了，會如何呢？若是前面都理解了的話，這裏很容易知道答案。這個進程組是個後臺進程組，包括其中的sleep進程，把sleep的父進程殺掉，sleep固然是直接掛在init/systemd下。

過程參考下圖：

還沒完呢。上面殺的都是它們的直系爹bash進程，若是把它們的爺爺殺掉呢？或者直接把終端關掉呢？這時又不同了。

3.3 殺掉後臺任務所在的終端

殺掉終端進程和殺掉當前bash進程對後臺任務的影響不同：殺掉當前bash進程後，後臺任務會掛在init/systemd下，而殺掉終端後，後臺任務也會停止。

來一個示例。

# 窗口1執行
[root@xuexi ~]# sleep 65 &
[1] 7108

# 窗口2查看
[root@xuexi ~]# pstree -p | grep sleep
           |            `-sshd(7014)---bash(7016)---sleep(7108)

# 窗口2殺掉pid=7014，或者直接關掉窗口1
[root@xuexi ~]# kill 7014

# 窗口2再查看sleep進程信息，啥也沒有
[root@xuexi ~]# pstree -p | grep sleep

前面說過，後臺任務依賴於當前所在的終端。但當前終端每每會和一個bash進程關聯綁定，該bash進程具備當前終端的控制權，因此殺掉終端進程和殺掉當前所在bash進程都能結束一個終端，可是它們卻又本質上的區別。

其實，能夠將當前終端、當前bash進程(更確切地說是後臺任務的父進程)、後臺的關係看做軍營、將軍、小兵的關係。當軍營中分配了一個將軍後，軍營爲將軍和小兵提供休息、商量等環境，將軍具備軍營的控制權，負責管理軍營中的一切，包括小兵。若是殺掉軍營中的將軍，小兵們發現"營中無大王"，因而馬上收拾行李就走，投奔皇帝去了(init/systemd)。但若是直接把軍營給炸了，那麼將軍和小兵將無一倖免，全軍覆沒。

實際上，殺掉終端進程時，終端進程會給本身進程組內的全部進程包括bash進程發送一個SIGHUP信號，正是由於收到這個信號，進程組內的全部進程纔會停止。

如何讓後臺進程不依賴於終端？不考慮藉助nohup、screen、tmux等第三方工具實現，bash其實也提供了多種解決方案，介紹其中兩種方法：

1.將後臺任務放入子shell。

這算是對bash深入認識後才能想到或真正理解的方法。由於將後臺任務放入子shell(子shell下一節說明)，當子shell結束後，其內後臺任務會當即掛到init/systemd下，這樣就脫離了終端。

[root@xuexi ~]# (sleep 30 &)
[root@xuexi ~]# pstree -p | grep sleep
           |-sleep(2392)

或者，放進一個腳本(執行腳本也是進入一個子shell)。例如如下是a.sh的內容。

#!/bin/bash

sleep 60 &

sleep 20

在執行該腳本的20秒內，兩個sleep進程都是在a.sh進程下的。

[root@xuexi ~]# pstree -p | grep sleep
           |---sshd(2317)-+-bash(2348)---a.sh(2449)-+-sleep(2450)
           |              |                         `-sleep(2451)

20秒後，腳本結束，也就是子shell退出，該子shell中的後臺sleep將掛在init/systemd下。

[root@xuexi ~]# pstree -p | grep sleep
           |-sleep(2450)

若是把腳本中的sleep 20去掉，那麼後臺sleep也將是瞬間就掛到init/systemd下的。

2.利用bash內置命令disown將任務移出後臺或設置爲忽略SIGHUP信號。

# 在窗口1執行
[root@xuexi ~]# sleep 60 &   # jobs的做業號碼：%1
[root@xuexi ~]# disown %1    # 將後臺做業%1移出後臺
[root@xuexi ~]# jobs         # 返回空

當進程disown移出後臺後，雖然暫時還掛在bash進程下，但結束終端進程時，該進程將掛到init/systemd下。因此，這樣作也將脫離終端。

或者，disown -h設置後臺做業忽略SIGHUP信號。前文說過，當終端進程退出時，將會向終端進程組中的全部進程發送SIGHUP信號，收到這些信號，終端下的全部進程都會終止。

[root@xuexi ~]# sleep 60 &
[root@xuexi ~]# disown -h %1  # 爲%1後臺做業打上忽略SIGHUP的標記

而後關閉終端，會發現sleep進程也將掛在init/systemd下。

4."奇怪"的問題以及解決方案

前面驗證過殺掉if true;then sleep 55;fi &的bash爹的父進程(也就是sleep的爺爺進程)後，bash爹將帶着sleep一塊兒掛在init/systemd進程下。

可是考慮一個"極端"一點的問題。若是這裏不是if，而是while/for/until循環，若是這個命令不是在當前bash下執行，而是在一個腳本中執行，殺掉腳本進程後，會如何？

好比，某腳本test.sh內容以下：

#!/bin/bash

while true;do
    sleep 10
done &

或者以下：

#!/bin/bash

while true;do
    sleep 10
done &

sleep 50

執行這個腳本時，將有兩個test.sh進程，其中一個是test.sh進程自身(稱之爲進程A)，一個是爲while提供bash環境的子shell進程(稱之爲進程B)。

當在腳本運行時，殺掉進程A時或者按下CTRL+C(第二個腳本狀況)時，若是查看進程的話，會發現後臺永遠有一個 "test.sh進程+sleep進程" 在運行，若是在while循環中有輸出語句的話(好比echo)，那麼還會時不時地向終端輸出點東西。這不是咱們想要的結果，咱們想要的是腳本結束時，裏面的進程也一塊兒結束，而不是有個進程在後臺"偷偷地"運行。

之因此出現這樣的問題，是由於進程A終止後，while的bash爹(進程B)帶着while結構裏的進程sleep一塊兒掛到init/systemd下了，並且很不幸，這是個while循環，會一直不斷地在後臺運行。

應該怎樣解決這種問題？能夠將全部的test.sh進程都殺掉，好比使用killall sleep test.sh命令。還有更好的方法，見個人另外一篇文章，專門寫這個問題：如何讓shell腳本自殺。

5.本文的總結

  1. 其實本文講的全是子shell的內容，儘管文中不多出現子shell的字眼。。
  2. bash內置命令的執行依賴於bash進程提供的執行環境。
  3. 當前bash環境下執行bash內置命令不會新生成bash進程，除非將它放進後臺。
  4. 殺掉後臺任務的父進程，後臺任務會掛到pid=1的init/systemd進程下。
  5. 終端進程、bash進程和後臺任務之間的關係：軍營、將軍、小兵。
    • (1).終端進程爲bash進程和其餘進程提供生存環境。
    • (2).終端進程每每會和一個bash進程綁定，這個bash進程具備終端的控制權，也就是管理軍營。
    • (3).殺掉終端的管理bash進程，終端進程也會隨之終止。
    • (4).bash進程是後臺任務的暫時管理者。當bash進程終止時，後臺任務就會掛到pid=1的進程下接受init/systemd的管理。
  6. 殺掉終端進程，會發送SIGHUP信號給終端進程組中的全部進程。收到SIGHUP信號後，這些進程都會終止，包括bash進程和後臺任務。
  7. 讓後臺任務脫離終端的方法，除了nohup、screen、tmux等三方工具，bash自身也能實現。只需將後臺任務放進子shell中執行便可(最簡單的方法(sleep 30 &))，或者用disown命令將後臺任務移除後臺，或disown -h設置後臺進程忽略SIGHUP信號。
  8. 分析下面的腳本，爲何執行過程當中按下 CTRL+C 後，還會時不時地向終端上輸出點東西，如何解決這個問題？
#!/bin/bash
while true;do
    sleep 3
    echo "hello world! hello world! "
done &
sleep 60

最後，本文的姊妹篇：

  1. 子shell以及何時進入子shell
  2. 如何讓shell腳本自殺
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