Shell主要逻辑源码级分析(1)——SHELL运行流程

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本文的目的：分享一下在学校的时候分析shell源码的一些收获，帮助大家了解shell的一个工作流程，从软件设计的角度，看看shell这样一个历史悠久的软件的一些设计优点和缺陷。本文重点不是讲SHELL语法，相信很多同事玩shell都很熟了。

本文的局限：限于本人技术水平和时间，肯定有不少错误和遗漏的地方，在当时的源码注释的过程中，也确实会有一直都不理解和存疑的地方，还请指正。但总的来说，主要逻辑和流程还是可以理清的。

分析的版本：首先选用最常用的bash，然后版本是bash4.2-release

bash代码简介：之前做过一个统计，shell源码大概有10万行，其中核心逻辑在1万多行，这也是分析的目标代码。剩下的包括引入的readline库（也是个开源库，处理输入的），yacc语法分析器生成工具（开源库，相信很多学过编译原理的都知道这东西），以及很多为提高用户界面友好性做得优化和辅助代码（比如！的历史操作）。

建议：在了解shell运行机制的同时，从软件设计的角度来看他，会发现有很多可以优化和改进的地方（当然，因为shell本身是从比较久远的年代发展而来，各种历史因素相关），特别是，读了下面内容的同学应该可以发现，命令解析那一块，用C++的OO思想可以合理的设计命令的类层次结构，大大简化代码量和逻辑，有兴趣的同学甚至可以自己动手写来试试替换掉这一部分。

一.启动过程

shell.c是shell主函数main所在文件。因此shell的启动可以认为从shell.c文件开始。main函数完成的主要工作流程是包括：检查启动的运行环境（是否通过sshd启动，是否运行于emacs环境下，是否运行于cgywin环境下，是否是交互式shell，是否是login shell等，对系统进行内存泄露检查，是否是受限shell），读取配置文件（顺序为/etc/profile and( ~/.bash_profile OR ~/.bash_login OR ~/.profile)前面的存在不会读后面的），设置运行需要的全局变量的值（当前环境变量、shell的名称、启动时间、输入输出文件描述符、语言本地化的相关设置），处理参数和选项（即带有-c -s --debugger等参数和选项），设置参数和选项的值（run_shopt_alist ()函数调用shopt_setopt函数设置选项的值；绑定$位置参数的值）,然后根据不同的启动参数进入以下不同分支：

1. 如果是只进行参数扩展而不执行命令，调用run_wordexp函数扩展参数，然后调用exit_shell (last_command_exit_value)函数以上次命令执行的返回值为返回值退出。

2. 如果是以-c参数模式启动shell，分为两种情况：一：如果是附带了字符串参数作为要执行的命令，则调用run_one_command (command_execution_string)执行-c附带的命令，参数command_execution_string保存-c后面附带的字符串命令值。执行完毕后调用exit_shell (last_command_exit_value)退出。二：如果是期待用户输入要执行的命令，则跳转到分支3。

3. 将shell_initialized置为1表示shell初始化完成。调用eval.c中定义的函数reader_loop()不断的读取和解析用户输入，如果reader_loop函数返回，则调用exit_shell、(last_command_exit_value)退出shell。

二.命令解析和执行流程

1. 主要相关文件

Eval.c

Command.h

Copy_cmd.c

Execute_cmd.c

Make_cmd.c

2. shell命令结构：

shell中用如下结构体来表示一个命令。

typedef struct command {

  enum command_type type;   /* 命令的类型 */

  int flags;                /* 标记位，将影响命令的执行环境 */

  int line;                 /* 命令从哪一行开始 */

  REDIRECT *redirects;      /*关联的重定向操作*/


  union {/*以下是一个联合value，保存具体的“命令体”，可能是for循环，case条件，

while循环等，union结构体的特征是只有一个值是有效的，因此以下命令种类是并列的，后

面有每一种命令类型的注释*/

    struct for_com *For;

    struct case_com *Case;

    struct while_com *While;

    struct if_com *If;

    struct connection *Connection;

    struct simple_com *Simple;

    struct function_def *Function_def;

    struct group_com *Group;

#if defined (SELECT_COMMAND)

    struct select_com *Select;

#endif

#if defined (DPAREN_ARITHMETIC)

    struct arith_com *Arith;

#endif

#if defined (COND_COMMAND)

    struct cond_com *Cond;

#endif

#if defined (ARITH_FOR_COMMAND)

    struct arith_for_com *ArithFor;

#endif

    struct subshell_com *Subshell;

    struct coproc_com *Coproc;

  } value;

} COMMAND;

其中一个很关键的成员是联合union类型value，它指出了该命令的类型，也给出了保存命令具体内容的指针。从该结构的可选值来看，shell定义的命令共有for循环、case条件、while循环、函数定义、协同异步命令等14种。

其中，经过对所有命令执行路径的分析，确定类型为simple的command是经过命令替换后的最原子的命令操作，其余类型的命令都是由若干simple command构成的。

在shell启动之后，无论是进入上面的2和3两个分支中的哪一个，最后解析命令所用到的函数都是execute_cmd.c中定义的函数。分支1不涉及到命令的解析，所以不在这里分析。

3. 分支2的第一种情况：

run_one_command (command_execution_string) 执行的过程中调用parse_and_execute (在evalstring.c中定义）解析与执行命令，parse_and_execute中实际调用execute_command_internal函数进行命令的执行。

4. 分支2的第二种情况和分支3：

reader_loop函数调用read_command函数解析命令，read_command函数调用parse_command()函数进行语法分析，parse_command()调用语法分析器y.tab.c中的yyparse()（该函数由yyac自动生成，因此不再往函数内部跟进），将解析结果的命令字符串保存在全局变量GLOBAL_COMMAND中，然后执行execute_command函数（定义在execute_cmd.c中），execute_command函数再调用execute_command_internal函数进行命令的执行。至此分支2和分支3的情况又合并到execute_command_internal的执行上。

5. execute_command_internal内部流程：

该函数是shell源码中执行命令的实际操作函数。他需要对作为操作参数传入的具体命令结构的value成员进行分析，并针对不同的value类型，再调用具体类型的命令执行函数进行具体命令的解释执行工作。

具体来说：如果value是simple，则直接调用execute_simple_command函数进行执行，execute_simple_command再根据命令是内部命令或磁盘外部命令分别调用execute_builtin和execute_disk_command来执行,其中，execute_disk_command在执行外部命令的时候调用make_child函数fork子进程执行外部命令。

如果value是其他类型，则调用对应类型的函数进行分支控制。举例来说，如果是value是for_commmand,即这是一个for循环控制结构命令，则调用execute_for_command函数。在该函数中，将枚举每一个操作域中的元素，对其再次调用execute_command函数进行分析。即execute_for_command这一类函数实现的是一个命令的展开以及流程控制以及递归调用execute_command的功能。

因此，从main函数启动到命令执行的主要流程图可以表现为下图所示：

6. 从启动到命令解释的函数级流程图：

括号内为函数定义所在的文件。

三. 变量控制

1. 主要相关文件

variables.c

variables.h

2. 重要数据结构

BASH中主要通过变量上下文和变量两个结构体来描述一个变量结构。以下分别介绍。

变量上下文：上下文又可以理解为作用域，可以比照C语言中的函数作用域，全局作用域来理解。一个上下文中的变量都是在这个上下文中可见的。
变量上下文结构定义：

typedef struct var_context {

  char *name;           /* name如果为空则表示它存储的是bash全局上下文，否则表示名为name的函数的局部上下文*/

  int scope;         /*上下文在调用栈中的层数，0代表全局上下文 ，每深入一层函数调用scope递增1*/

  int flags;  /*标志位集合flags记录该上下文是否为局部的、是否属于函数、是否属于内部命令，或者是不是临时建立的等信息*/

  struct var_context *up; /* 指向函数调用栈中上一个上下文*/

  struct var_context *down;   /*指向函数调用栈中下一个上下文*/

  HASH_TABLE *table;    /* 同一上下文中的所有变量集合hash表，即名值对 */

} VAR_CONTEXT;

描述一个变量的作用域的结构体。一个上下文中的所有变量，存放在var_context的table成员中。

变量：bash中的变量不强调类型，可以认为都是字符串。其存储结构如下

typedef struct variable {

  char *name;                  /*指向变量的名 */

  char *value;                  /*指向变量的值*/

  char *exportstr;            /*指向一个形如“名=值”的字符串*/

  sh_var_value_func_t *dynamic_value;    /* 如果是要返回一个动态值的函数，比如$SECONDS       或者$RANDOM，则函数指针指向生成该值的函数。*/

  sh_var_assign_func_t *assign_func; /* 如果是特殊变量被赋值时需要调用的回调函数，则其函数指针值保存在这里

*/

  int attributes;         /* 只读，可见等属性*/

  int context;                    /*记录该上下文变量属于可访问的作用域内局部变量
栈的哪一层*/

} SHELL_VAR;

由于所有变量笼统的由字符串来表示，因此提供了attributes属性成员来修饰变量的特性，比如属性可以是att_readonly表示只读，att_array表示是数组变量，att_function表示是个函数，att_integer表示是整型类变量等等。

3. 作用机理

shell程序的执行伴随着一个个上下文的切换，shell源码中的变量控制也是基于这一点。将变量绑定于一个一个的上下文中。

举例来说，一开始默认存在的是全局上下文，这里称为global，其中包含有由main函数的参数或者配置文件传入的变量值。如果这时进入了一个函数foo的执行中，则foo先从全局上下文获取要导出的变量，加上自己新增的变量，构成foo的上下文局部变量，将foo的上下文压入调用栈。这时调用栈看起来如下所示。

• 栈顶 ：foo上下文(包含foo上下文的所有局部变量)

• 栈底：global全局上下文(包含所有全局变量)

为了解释更详细的情况，假设在foo中又调用了fun函数，则fun先从foo中获取要导出的变量，加上自己新增的变量，构成fun的上下文局部变量，然后将fun的上下文压入调用栈的栈顶

。这是调用栈看起来如下所示。

• 栈顶 ：fun上下文(包含fun上下文的所有局部变量)

• 栈中 ：foo上下文(包含foo上下文的所有局部变量)

• 栈底：global全局上下文(包含所有全局变量)

此时假设fun函数执行完毕，则将fun上下文从栈中pop出，局部变量全部失效。调用栈又变成如下所示。

• 栈顶 ：foo上下文(包含foo上下文的所有局部变量)

• 栈底：global全局上下文(包含所有全局变量)

变量的查找顺序：从栈顶往栈底，即如果栈顶上下文中没有要查找的变量，则查找其在栈中的下一个上下文，如果整个调用栈查找完毕也没有找到，则查找失败。举例来说，如果在栈顶上下文中有PWD变量（当前工作路径），就不会去查找全局的PWD变量，这保证了局部变量覆盖的正确语义。

4. 特殊变量：

bash中定义了若干特殊变量，特殊变量的意思是在该变量被修改后需要做一些额外的连贯工作。比如表示时区的变量TZ被修改了之后需要调用tzset函数修改系统中相应的时区设置。bash给这一类变量提供了一个回调函数接口，供其值发生改变的情况下来调用该回调函数。这可以类比数据库中的触发器机制。在bash中，特殊变量保存在一个全局数组special_vars中。其定义如下：

struct name_and_function {

            char *name;/*变量名*/

            sh_sv_func_t *function;/*变量值修改时要触发的回调函数的函数指针*/

};

该结构表示一个特殊变量结构，用于生成specialvars数组。回调函数一般是sv变量名的命名方式。

static struct name_and_function special_vars[] = {

  { "BASH_XTRACEFD", sv_xtracefd },

#if defined (READLINE)

#  if defined (STRICT_POSIX)

  { "COLUMNS", sv_winsize },

#  endif

  { "COMP_WORDBREAKS", sv_comp_wordbreaks },

#endif

  { "FUNCNEST", sv_funcnest },

  { "GLOBIGNORE", sv_globignore },

#if defined (HISTORY)

  { "HISTCONTROL", sv_history_control },

  { "HISTFILESIZE", sv_histsize },

  { "HISTIGNORE", sv_histignore },

  { "HISTSIZE", sv_histsize },

  { "HISTTIMEFORMAT", sv_histtimefmt },

#endif

#if defined (__CYGWIN__)

  { "HOME", sv_home },

#endif

#if defined (READLINE)

  { "HOSTFILE", sv_hostfile },

#endif

  { "IFS", sv_ifs },

  { "IGNOREEOF", sv_ignoreeof },

  { "LANG", sv_locale },

  { "LC_ALL", sv_locale },

  { "LC_COLLATE", sv_locale },

  { "LC_CTYPE", sv_locale },

  { "LC_MESSAGES", sv_locale },

  { "LC_NUMERIC", sv_locale },

  { "LC_TIME", sv_locale },

#if defined (READLINE) && defined (STRICT_POSIX)

  { "LINES", sv_winsize },

#endif

  { "MAIL", sv_mail },

  { "MAILCHECK", sv_mail },

  { "MAILPATH", sv_mail },

  { "OPTERR", sv_opterr },

  { "OPTIND", sv_optind },

  { "PATH", sv_path },

  { "POSIXLY_CORRECT", sv_strict_posix },

#if defined (READLINE)

  { "TERM", sv_terminal },

  { "TERMCAP", sv_terminal },

  { "TERMINFO", sv_terminal },

#endif /* READLINE */

  { "TEXTDOMAIN", sv_locale },

  { "TEXTDOMAINDIR", sv_locale },

#if defined (HAVE_TZSET) && defined (PROMPT_STRING_DECODE)

  { "TZ", sv_tz },

#endif

#if defined (HISTORY) && defined (BANG_HISTORY)

  { "histchars", sv_histchars },

#endif /* HISTORY && BANG_HISTORY */

  { "ignoreeof", sv_ignoreeof },

  { (char *)0, (sh_sv_func_t *)0 }

};