如何根据Linux系统调用实现后台处理？

2023年2月11日 260次阅读

如何在
Linux系统调用方面实现后台处理(例如,在Bash中)？

我的问题的目的是我不明白为什么bash手册说

asynchronous commands are invoked in a subshell environment,

(如果我是正确的,“aynchronous commands”意味着在后台运行命令),
而通过使用strace,我发现父shell进程首先调用clone()来创建一个子shell,它是自身的副本,然后subshel​​l调用execve()将subshel​​l本身替换为在后台运行的命令.

这就像运行前台进程一样.我没有看到在子shell中调用该命令.
如果我是正确的,在子shell中调用命令意味着子shell调用clone()来创建子子shell,然后subsubshel​​l调用execve()将subsubshel​​l本身替换为在后台运行的命令.但实际上,子shell不会调用clone().

例如,

在Ubuntu中,我在一个交互式bash shell中运行date,其pid为6913,同时通过strace从另一个交互式bash shell中跟踪bash shell.

当运行日期时,跟踪第二个shell中的第一个外壳6913的输出是：

$sudo strace -f -e trace=process -p 6913
[sudo] password for t: 
Process 6913 attached
clone(Process 12918 attached
child_stack=0, flags=CLONE_CHILD_CLEARTID|CLONE_CHILD_SETTID|SIGCHLD, child_tidptr=0x7f457c05ca10) = 12918
[pid  6913] wait4(-1,  <unfinished ...>
[pid 12918] execve("/bin/date", ["date"], [/* 66 vars */]) = 0
[pid 12918] arch_prctl(ARCH_SET_FS, 0x7ff00c632740) = 0
[pid 12918] exit_group(0)               = ?
[pid 12918] +++ exited with 0 +++
<... wait4 resumed> [{WIFEXITED(s) && WEXITSTATUS(s) == 0}], WSTOPPED|WCONTINUED, NULL) = 12918
--- SIGCHLD {si_signo=SIGCHLD, si_code=CLD_EXITED, si_pid=12918, si_status=0, si_utime=0, si_stime=0} ---
wait4(-1, 0x7ffea6781518, WNOHANG|WSTOPPED|WCONTINUED, NULL) = -1 ECHILD (No child processes)

当运行date&时,在第二个shell中跟踪第一个shell 6913的输出是：

$sudo strace -f -e trace=process -p 6913
Process 6913 attached
clone(Process 12931 attached
child_stack=0, flags=CLONE_CHILD_CLEARTID|CLONE_CHILD_SETTID|SIGCHLD, child_tidptr=0x7f457c05ca10) = 12931
[pid 12931] execve("/bin/date", ["date"], [/* 66 vars */]) = 0
[pid 12931] arch_prctl(ARCH_SET_FS, 0x7f530c5ee740) = 0
[pid 12931] exit_group(0)               = ?
[pid 12931] +++ exited with 0 +++
--- SIGCHLD {si_signo=SIGCHLD, si_code=CLD_EXITED, si_pid=12931, si_status=0, si_utime=0, si_stime=0} ---
wait4(-1, [{WIFEXITED(s) && WEXITSTATUS(s) == 0}], WNOHANG|WSTOPPED|WCONTINUED, NULL) = 12931
wait4(-1, 0x7ffea6780718, WNOHANG|WSTOPPED|WCONTINUED, NULL) = -1 ECHILD (No child processes)

最佳答案 文本“在子shell环境中调用异步命令”并不具体指代后台,因为后台是来自“POSIX作业控制”的交互式概念.而异步命令以交互方式或非交互方式发生.

“在子shell环境中调用”只是shell术语,这意味着发生了fork,并且这些命令在子进程中运行,该进程无法修改父级和其他状态中的变量：

$VAR=value &
[1] 15479
[1]+  Done                    VAR=value
$echo $VAR
$

因为变量赋值在子shell中运行,所以它在父shell中没有任何影响.

后台在系统调用方面的工作原理是POSIX作业控制围绕一组进程进行,这些进程被组织成进程组,进程组属于一个连接到控制终端的会话.会话中一次只有一个组是前台进程组.

设计围绕组而不是单个过程的原因是因为当使用管道时,作业由多个过程组成.例如,sort -u file | grep foo创建一个包含两个进程的进程组.

shell本身也在一个进程组中.当shell提示您输入时,该进程组位于前台.当shell在前台执行作业时,它会通过一些特殊的作业控制系统调用将自己置于后台.

当您将Ctrl-Z发送到TTY时,它会为前台进程组中的每个进程生成SIGTSTP信号. shell检测到子状态的这种变化(通过waitpid或其他一些),然后将该组混洗到后台,再次将自己置于前台,以接收TTY输入.

当您与shell通信时,所有作业都在后台,无论它们是否正在运行：shell是前台进程组,因此所有其他作业都不是.使用bg命令,您只需更改挂起的后台作业的运行状态. Ctrl-Z发送了一个暂停它的SIGTSTP,shell将其移动到后台. bg将恢复它,允许它执行.但是,如果后台作业已恢复并尝试从TTY获取输入,则会收到SIGTTIN信号并再次暂停：

$cat &
[1] 12620
$bg
[1]+ cat &
$    # hit Enter 
[1]+  Stopped                 cat
$bg
[1]+ cat &
$    # hit Enter
[1]+  Stopped                 cat

cat想要读取tty,所以当我们把它放在后台时,它会从内核的TTY子系统中获取一个SIGTTIN来停止它. shell以类似于Ctrl-Z / SIGTSTP的方式检测到这种信号驱动的状态变化,并打印一条消息,告诉我们该作业已停止.每次我们bg它(恢复它)同样的事情发生. shell调度cat(可能带有SIGCONT),cat立即恢复尝试从TTY获取输入,响应“你不是前台进程组的成员,坏kitty：SIGTTIN为你”.所有这一切,猫永远不会离开背景.

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