Linux shell 内建命令

前言

一、shell简介

shell 是Linux系统中一个提供命名行的交互式工具，本质是一个c语言可执行程序，为用户提供了启动程序，管理文件系统中的文件以及运行在Linux系统上的进程的途径。命令行提示符是shell负责交互的部分，允许用户输入文本命令，然后解释命令，并在内核中执行。

Linux系统上有多种shell可用，Linux发行版默认的shell都是bash shell，接下来主要介绍bash shell。

系统中启动哪种类型的shell，取决用个人用户ID配置，在/etc/passwd文件中可见。只要用户登录到某个虚拟控制终端或是在GUI中启动终端仿真器，默认的shell程序就会开始运行。

我在我的Ubuntu20.04上打开终端，这时候默认的shell程序就开始运行了，同时第一次登录是父shell，提供CLI提示符，等待命令输入。

在Linux shell中执行命令的过程如下：

用户在终端中输入命令，并按下回车键。

Shell解释器（例如bash）接收到命令并对其进行解析。解析过程包括去除命令中的空格和特殊字符，以及将命令拆分成单个单词或参数。

Shell解释器检查命令是否是内置命令（例如cd、echo等），如果是则直接执行内置命令。否则，Shell解释器将尝试在系统中查找该命令的可执行文件。

Shell解释器搜索路径（$PATH环境变量中指定的一组目录）以查找命令的可执行文件。如果找到可执行文件，则Shell解释器将启动一个新的进程来运行该命令，否则将输出“command not found”错误信息。

新进程被启动后，将执行相应的命令。这可能涉及到读取和写入文件、打印输出、调用其他程序等操作，具体操作取决于命令的功能。

命令执行完毕后，新进程将终止并返回一个退出状态码。Shell解释器可以使用这个状态码来判断命令是否成功执行。

Shell解释器在命令完成后等待用户输入下一个命令。如果用户按下Ctrl-C或Ctrl-D，则将中断当前命令或退出Shell。
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15

用户 yl 用 bash shell作为自己的默认程序，bash shell位于/bin目录下，/bin/bash是一个可执行的二进制程序，

x代表可执行，ls 加-F选项，会在可执行文件中的后面加一个 * 号，以便用户找出系统上可执行的文件。
-F选项也可以区分文件夹和文件。

二、外部命令

外部命令也被称为文件系统命令，是存在与 bash shell之外的程序，之前说过bash shell本质是也是一个二进制可执行程序。通常位于 /bin、/usr/bin、/sbin或/usr/sbin下。

在Linux shell中，外部命令是指由操作系统提供的可执行程序，可以通过在shell中输入命令来执行这些程序，完成各种任务。

当执行外部程序时，父进程bash shell会执行 fork() 创建一个子程序，子程序调用exec() 执行当前的外部程序，执行完之后结束自己的生命，等待bash shell 父进程调用 wait() 进行回收子程序的资源。

创建一个进程会有一定的开销，会打开文件，进行磁盘文件IO操作。

外部命令比如，可以使用 type 来确定一个命令是否是外部程序。

$PATH 变量包含的目录中系统中绝大多数的可执行命令，它们都是外部命令：

我们可以用 bpftrace 来观测外部命令，执行外部命令时，会调用exec()函数：

使用bpftrace来跟踪新进程和执行新进程时的参数，执行外部命令时，由于会执行exec()函数，因此会触发我们的 tracepoint ：sys_enter_execve。

yl@yl-virtual-machine:~/Desktop$ sudo bpftrace -l tracepoint:* | grep sys_enter_execve
tracepoint:syscalls:sys_enter_execve
tracepoint:syscalls:sys_enter_execveat
1
2
3

yl@yl-virtual-machine:~$ ls
Desktop  Documents  Downloads  Music  Pictures  Public  snap  Templates  Videos
yl@yl-virtual-machine:~$ ps
1
2
3

yl@yl-virtual-machine:~/Desktop$ sudo bpftrace -e 'tracepoint:syscalls:sys_enter_execve { join(args->argv); }'
Attaching 1 probe...
ls --color=auto
ps
1
2
3
4

三、内建命令

3.1 简介

内建命令并不需要父进程bash shell创建一个子程序，内建命令是bash shell程序的一部分，执行内建命令等于调用bash shell程序的一个程序。可以使用 type 来确定一个命令是否是内建命令。

内建命令属于shell执行的一部分，因此执行内建命令不需要创建子进程，也不需要打开程序文件，这样不用操作文件IO，执行效率高，运行快。

还有一些命令即属于外部命令也属于内建命令，用 type -a 进行查看，比如：

其中which命令只显示出外部命令文件。

对于即属于外部命令也属于内建命令的，要想执行外部命令，输入指定文件：

我们依然可以用 bpftrace 来观测 内建命令：

yl@yl-virtual-machine:~/Desktop$ cd ..
yl@yl-virtual-machine:~$ pwd
/home/yl
1
2
3

yl@yl-virtual-machine:~/Desktop$ sudo bpftrace -e 'tracepoint:syscalls:sys_enter_execve { join(args->argv); }'
Attaching 1 probe...

1
2
3

可以看到执行内建命令并不会执行exec函数，因为内建命令是bash shell程序的一部分，执行内建命令等于调用bash shell程序的一个程序，不会创建一个新的进程，因此也不会触发我们的 tracepoint ：sys_enter_execve。

3.2 source 和 .

在Linux中，source命令用于在当前shell环境中执行指定的脚本文件，通常用于加载shell配置文件或其他一些需要在当前shell环境中生效的操作。
source命令和 . 可以替代，效果一样。

source命令是内置命令：

$ type source 
source is a shell builtin
$ type .
. is a shell builtin
1
2
3
4

通过 source 执行脚本，用的当前终端的脚本解释器 bash pid ：3382。

$ ps
    PID TTY          TIME CMD
   3382 pts/0    00:00:00 bash
   3388 pts/0    00:00:00 ps
$ source shell.sh 
My script PID is 3382
Please enter a string:
1
2
3
4
5
6
7

因此，通过source 执行脚本不会产生新的进程来执行该脚本。

通过其他脚本解释器执行脚本，就会产生新的进程来执行脚本：

$ ps
    PID TTY          TIME CMD
   3382 pts/0    00:00:00 bash
   3414 pts/0    00:00:00 ps
$ ./shell.sh 
My script PID is 3416
Please enter a string:
1
2
3
4
5
6
7

总结

内建命令比外部命令，效率更高，执行更快，执行内建命令相当于调用当前 Shell 进程的一个函数。比如cd、exit 这些是内部命令，本质是函数调用，可以直接使用，内建命令并不是某个外部程序，而是bash shell该程序的组成部分，只要在 bash shell 中就可以运行这个命令。

内建命令不会受到系统环境变化的影响。

执行外部命令时，会打开文件，不但会产生磁盘 I/O，还需要调用 fork 创建一个进程来执行，执行完成后再退出。

给出一个简单的测试用例，通过bpftrace也能判断一个命令是否是外部命令。