2021-01-23Bash源码分析（一）
作者简介：15年通讯底层研发经验，熟悉linux/vxworks等实时操作系统的内核原理和实现，在虚拟化的openstack，kubernetes，docker等领域也初有涉猎。
摘要：本文讲述当下留下的linux的bash的源代码，通过代码分析和单步调试解析bash的运行流程，适合喜欢研究linux原理的高级用户。分析的源代码来自gnu的开源项目https://git.savannah.gnu.org/git/bash.git，例子是作者自己编写，可以随意引用。
1 引言
Bash这个程序作为一个linux的用户，用的实在太频繁了，但一般局限于会用就结束了，一直没机会研究bash本身的原理。因工作需要，调试一个bash的cpu冲高问题，趁此机会对bash的源码做了一些研究，希望能对大家有点帮助。
2 linux的各种主流shell介绍
现在一般使用的shell有sh，bash和csh这几种，我们这里主要说的是bash，其他shell的源代码逻辑也差不多。
3 bash使用到的主要数据结构介绍
3.1 COMMAND
COMMAND是所有数据结构的纲，从这里可以看出一个bash实际能执行的语句有14种，分别位for，case，while，fi，connection，simple_com，function，group，select，arith，cond，arith_for，subshell，coproc，其中select，arith，cond，arith_for这4个命令需要打开对应的编译开关之后才能执行。 除了下面的这个union外，另外几个属性分别对应命令类型，行号和执行环境控制参数。其中控制参数有很多，每个控制参数占用一个bit位，包括是否启动子shell，是否忽略exit值等。
这些flag可以在bash启动shell脚本时设置，或者在shell脚本内部调用set指令来设置，一般用户不怎么关注，高阶用户可以看看：
3.2 FOR_COM
FOR_COM对应的shell语句是for name in map_list; do action; done 从结构体定义可以看出，除了和COMMAND相同的flags和行号外，for语句是有一个变量名，一个列表和一个递归的COMMAND组成的，实际for循环执行过程中也是将列表中的每个元素拿出来赋值给变量名，并执行action中的脚本段。 从这里的flags，可以看出，每条命令的flags是可以单独设置的，本条命令设置的控制参数可以不影响其他命令的控制参数。
3.3 CASE_COM
对照下面的脚本，可以看出，先判断一个变量，变量判断晚走到复合语句clauses，注意clause最终实现的时候是一个单向链表，链表中每个元素由一个样式的列表和一个执行体action来组成。
3.4 WHILE_COM
WHILE_COM比较简单，主体有两部分组成，判断条件和执行体。上篇文章调试过程中导致CPU冲高到100%的例子就是用的WHILE_COM，不过例子中的WHILE_COM的判断条件留空，相当于永远为true。
3.5 IF_COM
IF_COM由3段组成，条件判断，条件为true时的执行体和条件为false时的执行体，其中false情况下的执行体可以为空。
从IF_COM的定义看，3部分都可以是复杂的COMMAND结构，所以嵌套起来也可以做的非常复杂，例如可以在test部分通过执行脚本，依靠脚本的返回值来判断是应该执行true_case还是false_case。
3.6 CONNECTION
CONNECTION由4个属性组成：ignore字段对应其他命令结构种的flags，但对连接命令实际上没有用first对应第一条命令，second对应第二条命令，connector对应两条命令之间的连接符。难道只能两个命令一起用，不能多余两个命令一起调用？显然不是，一个CONNECTION对应一个连接符连接起来的两段命令，每段命令又可以是一个CONNECTION，这样就形成了级联的效果。 CONNECTION有3种：AND_AND对应“&&”，表示first执行返回结果为0的时候执行second；OR_OR对应“||”，表示first执行返回结果为非0的时候执行second；分号对应的connector还是分号，表示无论first执行结果是0还是非0，都执行second。是不是有点像C语言里面的&&，||和;？
上面的三个例子别真的执行，后果很严重(:))。第一条表示删除$dir对应值的目录中的所有文件；第二条表示$dir不存在的时候删除当前目录下面的所有文件；第三条表示，如果$dir存在就删除$dir目录下的所有文件，如果不存在就删除当前目录下面的所有文件。
3.7 SIMPLE_COM
SIMPLE_COM按字面意思就是简单命令，结构体由四部分组成，通用的flags，行号line，命令队列WORD_LIST，重定向队列REDIRECT。 WORD_LIST队列比较容易理解。一堆命令的集合：
其中单个命令还可以独立设置flags：
REDIRECT就是重定向的意思，这里也有很多种重定向，结构体的各个属性的含义：next，组成重定向链表的指针；redirector，重定向的源；rflags，重定向时使用的私有flags；flags，打开重定向目标文件时的flags；instruction，重定向的实际功能指令，这个又有很多种，下面会详细描述；redirectee，重定向的目的文件描述符或者文件名；here_doc_eof，本地文件。
从REDIRECTEE的定义看，它既可以是一个文件描述符，例如0表示标准输入，1表示标准输出，2表示错误输出，也可以是一个文件名。
Bash支持二十种不同的重定向，后面会根据bash的源代码来一一解释一下具体内容（bash源代码的注释对重定向的含义理解也有很多帮助）：
先来五种输出的重定向：普通输出，强制输出，错误和标准输出，叠加输出，错误和标准叠加输出。统一说一下几个概念，标准输出就是2级stdout，错误输出就是3级sdterr，强制的意思是文件存在的情况下会被先清空，再增加，叠加输出的意思是原有内容后面再增加。
再来九种输入和输出重定向：普通输入重定向，后台执行，输入和输出同时重定向，去掉空格的输入重定向，输入重定向，字符串作为输入，关闭重定向源（怎么还有这种应用场景？），复制输入，复制输出。 紧接着六种输入输出的重定向分别为输入剪切，输出剪切，字符指向的输入剪切和字符指向的输出剪切，字符指向的输入复制和字符指向的输出复制。
Bash的重定向真是博大精深！！
3.8 FUNCTION_DEF
FUNCTION_DEF由五部分组成，通用flags，起始行号，函数名，解析之后的函数执行体，如果函数定义在文件中，最后会有文件名。函数的定义也可以有入参，入参的提取和文件执行时类似的，都是走$1,$2类似的形式获得的。
3.9 GROUP_COM
GROUP_COM是个什么鬼？通过分析group的处理函数，发现group原来就是多个命令组成的命令段，一般用{}包围起来，从group_command_nesting变量的变化看，group是支持多层嵌套的。
3.10 SELECT_COM
SELECT_COM并不是每个版本的bash都存在，可以通过在bash里面敲help来确定其是否存在。下面这个bash 4.2.46的版本中是打开了select的开关的：
SELECT_COM的作用是为了生成一个简单的菜单，用户通过选择菜单来让系统执行对应的命令，常见的SELECT_COM是时区配置时使用的。
具体分析/usr/bin/tzselect源码时发现，为了做到各个shell之间的兼容，这个脚本写的比想象中要复杂的多。 首先要是一下版本号的记录：
跳过紧接着的注释，然后是版本兼容性判断，使用帮助：
然后很无聊的定义了一个完全不用的变量IFS，但用来定义IFS的newline后面倒是用过。 为了规避bug，还要把PS3清空。
终于进正题了，先选择大洲或者大洋：
根据大洲或者大洋，通过awk汇总对应的国家列表：
二级select，选择国家：
再次祭出awk，通过国家汇总时区列表：
第三重select，选择时区：
计算好时区之后，出现第四重select，确认是否要修改：
还要判断一下当前是cshell还是其他shell，指导用户将当前的时区改到shell的启动脚本里面去（老大你写了这么多代码，不能自动把这句加进去么？还是要手动加:)）。
3.11 ARITH_COM
ARITH_COM也是需要开关打开的，不过当前默认用的bash都是支持的，这个命令的意思是算术表达式，算术表达式要用(())包起来，要不然bash会不知道你想当做算术表达式使用，如果执行“echo 1+1”会怎么样？bash认为它是一个文本，直接将文本本身显示出来了。
加上(())之后echo还是失败的：
再加一个$之后终于正常了：
实际操作的时候，发现[]包起来的算术表达式也能用，但不加$的时候不会报错，加了会触发求值：
通过查看代码，发现，只有(())是算术表达式：
而[]只是为了兼容posix.2d9的一种算术替换规则，也就是说$[1+1]是直接替换成了2，而(())还需要走到算术表达式求值过程（是不是有点饶）。
