子shell以及什么时候进入子shell

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子shell的概念贯穿整个shell，写shell脚本时更是不可不知。所谓子shell，即从当前shell环境新开一个shell环境，这个新开的shell环境就称为子shell(subshell)，而开启子shell的环境称为该子shell的父shell。子shell和父shell的关系其实就是子进程和父进程的关系，只不过子shell和父shell所关联的进程是bash进程。

子shell会从父shell中继承很多环境，如变量、命令全路径、文件描述符、当前工作目录、陷阱等等，但子shell有很多种类型，不同类型的子shell继承的环境不相同。可以使用$BASH_SUBSHELL变量来查看从当前进程开始的子shell层数，$BASHPID查看当前所处BASH的PID，这不同于特殊变量"$$"值，因为"$$"在大多数情况下都会从父shell中继承。

何时产生子shell

要解释清楚子shell以及产生何种类型的子shell，需要搞清楚Linux中如何产生子进程。Linux上创建子进程的方式有三种：一种是fork出来的进程，一种是exec出来的进程，一种是clone出来的进程。此处无需关心clone，因为它用来实现Linux中的线程。

(1).fork是复制进程，它会复制当前进程的副本(不考虑写时复制的模式)，以适当的方式将这些资源交给子进程。所以子进程掌握的资源和父进程是一样的，包括内存中的内容，所以也包括环境变量和变量。但父子进程是完全独立的，它们是一个程序的两个实例。

(2).exec是加载另一个应用程序，替代当前运行的进程，也就是说在不创建新进程的情况下加载一个新程序。exec还有一个动作：在进程执行完毕后，退出exec所在的shell环境。

所以为了保证进程安全，若要形成新的且独立的子进程，都会先fork一份当前进程，然后在fork出来的子进程上调用exec来加载新程序替代该子进程。例如在bash下执行cp命令，会先fork出一个bash，然后再exec加载cp程序覆盖子bash进程变成cp进程。

再来说明子shell的问题。一般fork出来的子进程，内容和父进程是一样的(包括变量)，例如执行cp命令时也能获取到父进程的变量。但是cp命令在哪里执行呢？执行cp命令敲入回车后，当前的bash进程fork出一个子bash，然后子bash通过exec加载cp程序替代子bash。这算是进入了子shell吗？更通用的问题是：什么情况下会进入子shell环境，什么时候不进入子shel环境呢？

判断是否进入了子shell的方式非常简单，执行"echo $BASHPID"，如果该值和父bash进程的pid值不同，则表示进入了子shell。在shell中是否进入子shell的情况可以分为几种：

①.执行bash内置命令时。

bash内置命令是非常特殊的，父进程不会创建子进程来执行这些命令，而是直接在当前bash环境中执行。但如果将内置命令放在管道后，则此内置命令将和管道左边的进程同属于一个进程组，所以仍然会创建子shell。

[root@xuexi ~]# echo $BASHPID   # 当前BASHPID
65230
[root@xuexi ~]# let a=$BASHPID   # bash内置命令，不进入子shell
[root@xuexi ~]# echo $a
65230

[root@xuexi ~]# echo $BASHPID
65230
[root@xuexi ~]# cd | expr $BASHPID      # 管道使得任何命令都进入进程组，会进入子shell   
65603

这时候的子shell的作用是为bash内置命令提供执行环境。 

 

②.执行bash命令本身时。

显然它会进入子shell环境，它的绝大多数环境都是新配置的，因为会加载一些环境配置文件。事实上fork出来的bash子进程内容完全继承父shell，但因重新加载了环境配置项，所以子shell没有继承普通变量，更准确的说是覆盖了从父shell中继承的变量。不妨试试在/etc/bashrc文件中定义一个变量，再在父shell中export名称相同值却不同的环境变量，然后到子shell中看看该变量的值为何？

[root@xuexi ~]# echo "var=55" >>/etc/bashrc
[root@xuexi ~]# export var=66
[root@xuexi ~]# bash
[root@xuexi ~]# echo $var
55

由结果55可知，执行bash时加载的/etc/bashrc中的变量覆盖了父bash中的导出的环境变量值66。

其实执行bash命令，既可以认为进入了子shell，也可以认为没有进入子shell。在执行bash命令后从变量$BASH_SUBSHELL的值为0可以认为它没有进入子shell。但从执行bash命令后进入了新的shell环境来看，它有其父bash进程，且$BASHPID值和父shell不同，所以它算是进入了子shell。

[root@xuexi ~]# echo $BASHPID
65230
[root@xuexi ~]# bash
[root@xuexi ~]# echo $BASHPID
65534

其实，执行bash命令更应该被认为是进入了一个完全独立的、全新的shell环境，而不应该认为是进入了片面的子shell环境。

此外，执行bash命令，"$$"不会继承父shell的值。 

 

③.执行shell脚本时。

脚本中第一行总是"#!/bin/bash"或者直接"bash xyz.sh"，这和上面的执行bash进入子shell其实是一回事，都是使用bash命令进入子shell。只不过此时的bash命令和情况②中直接执行bash命令所隐含的选项不一样，所以继承和加载的shell环境也不一样。事实也确实如此，它仅只继承父shell的某些环境变量，其余环境一概初始化。

另外，执行shell脚本相比于直接执行bash命令，还多了一个动作：脚本执行完毕后自动退出子shell。

[root@xuexi ~]# cat b.sh 
#!/bin/bash
echo $BASHPID

[root@xuexi ~]# echo $BASHPID
65534
[root@xuexi ~]# ./b.sh 
65570

 此外，shell脚本中的"$$"不继承父shell的值。

 

④.执行shell函数时。

其实shell函数就是命令，它和bash内置命令的情况一样。直接执行时不会进入子shell，但放在管道后会进入子shell。

[root@xuexi ~]# fun_test (){ echo $BASHPID; }   # 定义一个函数，输出BASHPID变量的值
[root@xuexi ~]# echo $BASHPID 
65230
[root@xuexi ~]# fun_test      # 说明执行函数不会进入子shell
65230
[root@xuexi ~]# cd | fun_test   # 但放在管道后会进入子shell
65605

 

⑤.执行非bash内置命令时。

例如执行cp命令、grep命令等，它们直接fork一份bash进程，然后使用exec加载程序替代该子bash。此类子进程会继承所有父bash的环境。但严格地说，这已经不是子shell，因为exec加载的程序已经把子bash进程替换掉了，这意味着丢失了很多bash环境。在bash文档中，直接称呼这种环境为"单独的环境"，和子shell的概念类似。

[root@xuexi ~]# let a=$BASHPID   # let是内置命令
[root@xuexi ~]# echo $a
65230
[root@xuexi ~]# echo $BASHPID    # echo是非内置命令，结果是不进入子shell
65230

 

⑥.命令替换。

当命令行中包含了命令替换部分时，将开启一个子shell先执行这部分内容，再将执行结果返回给当前命令。因为这次的子shell不是通过bash命令进入的子shell，所以它会继承父shell的所有变量内容。这也就解释了"echo $(echo $$)"中"$$"的结果是当前bash的pid号，而不是子shell的pid号，但"echo $(echo $BASHPID)"却和父bash进程的pid不同，因为它不是使用bash命令进入的子shell。

[root@xuexi ~]# echo $BASHPID
65230
[root@xuexi ~]# echo $(echo $BASHPID)      # 使用命令替换$()进入子shell
65612

 

⑦.使用括号()组合一系列命令。

例如(ls;date;echo haha)，独立的括号将会开启一个子shell来执行括号内的命令。这种情况等同于情况⑤。

[root@xuexi ~]# echo $BASHPID
65230
[root@xuexi ~]# (echo $BASHPID)  # 使用括号()的命令组合进入子shell
65613

 

⑧.放入后台运行的任务。

它不仅是一个独立的子进程，还是在子shell环境中运行的。例如"echo hahha &"。

[root@xuexi ~]# echo $BASHPID
65230
[root@xuexi ~]# echo $BASHPID &   # 放入后台运行的任务进入子shell
[1] 65614
[root@xuexi ~]# 65614

[1]+  Done                    echo $BASHPID

 

⑨.进程替换。

既然是新进程了，当然进入子shell执行。例如"cat <(echo haha)"。

[root@xuexi ~]# echo $BASHPID
65230

[root@xuexi ~]# cat <(echo $BASHPID)    # 进程替换"<()"进入子shell
65616

再说明"$$"的继承问题。除了直接执行bash命令和shell脚本这两种子shell，其他进入子shell的情况都会继承父shell的值。前面也已经说了，其实shell脚本和直接执行bash命令开启子shell的方式是一样的，它们都不会继承"$$"值，可以根据上述实验自行测试。

需要说明的是，子shell的环境设置不会粘滞到父shell环境，无论是使用export还是source，它们都只能的概念都是父shell到子shell，不是也不会是从子shell到父shell。也就是说子shell的变量等不会影响父shell。

最后，建议同时阅读另一篇文章：bash启动时环境配置流程，此文中详细解释了bash启动时加载哪些配置文件。

知道了子shell的概念，想必对shell解释器和shell就理解的差不多。于是，下面这张经典的图中为什么出现shell层也很容易理解。说白了，SHELL就是提供了执行环境和解析了命令，并使解析后的命令运行起来。