system函數的總結

最近在看APUE第10章中關於system函數的POSIX.1的實現。關於POSIX.1要求system函數忽略SIGINT和SIGQUIT，並且阻塞信號SIGCHLD的論述，理解得不是很透徹，本文就通過實際的實例來一探究竟吧。

 

一、為什么要阻塞SIGCHLD信號

#include <stdlib.h>

int system(const char *command);

函數工作大致流程：system()函數先fork一個子進程，在這個子進程中調用/bin/sh -c來執行command指定的命令。/bin/sh在系統中一般是個軟鏈接，指向dash或者bash等常用的shell，-c選項是告訴shell從字符串command中讀取要執行的命令（shell將擴展command中的任何特殊字符）。父進程則調用waitpid()函數來為變成僵屍的子進程收屍，獲得其結束狀態，然后將這個結束狀態返回給system()函數的調用者。

 

知道了以上基本知識點，也就好理解為什么偏偏是SIGCHLD信號了，而不是其他的信號：因為fork的子進程結束后，內核會向其父進程發送SIGHLD信號，即system()函數的調用者。

那么為什么在調用system()函數，運行command指定的命令時要阻塞SIGCHLD這個信號呢？ 接下來我們就通過兩個不同的system版本對比運行的結果，從而找到阻塞SIGCHLD信號的真正原因。

 

先來具體看看這兩個不同的system函數實現版本：

system_without_signal.c：

 

#include <stdio.h>
#include <errno.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include "apue.h"

/* version without signal handling */
int system_without_signal(const char *cmd_string)
{
    pid_t pid;
    int status = -1;

    if (cmd_string == NULL)
        return (1);     /* always a command processor with UNIX */

    if ((pid = fork()) < 0) {
        status = -1;    /* probably out of processes */
    } else if (pid == 0) {  /* child */
        execl("/bin/sh", "sh", "-c", cmd_string, (char *)0);
        _exit(127); /* execl error */
    } else {                /* parent */
//      sleep(1);
        pid_t wait_pid;
        while ((wait_pid = waitpid(pid, &status, 0)) < 0) {
            printf("[in system_without_signal]: errno = %d(%s)\n",
                                        errno, strerror(errno));
            if (errno != EINTR) {
                status = -1;    /* error other than EINTR form waitpid() */
                break;
            }
        }
        printf("[in system_without_signal]: pid = %ld, wait_pid = %ld\n",
                                        (long)pid, (long)wait_pid);
        pr_exit("[in system_without_signal]", status);
    }

    return (status);
}

 

system_with_signal.c

 

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <errno.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <signal.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/wait.h>

/* with appropriate signal handling */
int system_with_signal(const char *cmd_string)
{
    pid_t       pid;
    int         status;
    struct      sigaction ignore, saveintr, savequit;
    sigset_t    chld_mask, save_mask;

    if (cmd_string == NULL)
        return (1);     /* always a command processor with UNIX */

    /* ignore signal SIGINT and SIGQUIT */
    ignore.sa_handler = SIG_IGN;
    ignore.sa_flags = 0;
    sigemptyset(&ignore.sa_mask);
    if (sigaction(SIGINT, &ignore, &saveintr) < 0)
        return (-1);
    if (sigaction(SIGQUIT, &ignore, &savequit) < 0)
        return (-1);

    /* block SIGCHLD and save current signal mask */
    sigemptyset(&chld_mask);
    sigaddset(&chld_mask, SIGCHLD);
    if (sigprocmask(SIG_BLOCK, &chld_mask, &save_mask) < 0)
        return (-1);

    if ((pid = fork()) < 0) {
        status = -1;    /* probably out of processes */
    } else if (pid == 0) {      /* child */
        /* restore previous signal actions & reset signal mask */
        sigaction(SIGINT, &saveintr, NULL);
        sigaction(SIGQUIT, &savequit, NULL);
        sigprocmask(SIG_SETMASK, &save_mask, (sigset_t *)NULL);

        execl("/bin/sh", "sh", "-c", cmd_string, (char *)0);
        _exit(127);
    } else {                    /* parent */
        int wait_pid;
    //  sleep(10);  /* */
        while ((wait_pid = waitpid(pid, &status, 0)) < 0) {
            printf("[in system_with_signal]: errno = %d(%s)\n",
                                        errno, strerror(errno));
            if (errno != EINTR) {
                status = -1;    /* error other than EINTR from waitpid() */
                break;
            }
        }
        printf("[in system_with_signal]: pid = %ld, wait_pid = %ld\n",
                                        (long)pid, (long)wait_pid);
        pr_exit("[in system_with_signal]", status);
    }

    /* in parent: restore previous signal action & reset signal mask */
    if (sigaction(SIGINT, &saveintr, NULL) < 0)
        return (-1);
    if (sigaction(SIGQUIT, &savequit, NULL) < 0)
        return (-1);
    if (sigprocmask(SIG_SETMASK, &save_mask, (sigset_t *)NULL) < 0)  /* */
        return (-1);

    return (status);
}

 

好，接下來具體看一個例子：

 

#include <stdio.h>
#include <errno.h>
#include <stdlib.h>
#include <signal.h>
#include "apue.h"

#define SETSIG(sa, sig, fun, flags) \
do {                                \
    sa.sa_handler = fun;            \
    sa.sa_flags = flags;            \
    sigemptyset(&sa.sa_mask);       \
    sigaction(sig, &sa, NULL);      \
} while (0)

extern int system_without_signal(const char *cmd_string);

static void sig_chld(int signo)
{
    printf("\nenter SIGCHLD handler\n");

    pid_t pid;
    int exit_status = -1;
    int errno_saved = errno;
    pid = wait(&exit_status);
    if (pid != -1) {
        printf("[in sig_chld] reaped %ld child,", (long)pid);
        pr_exit("wait: ", exit_status);
        printf("\n");
    } else {
        printf("[in sig_chld] wait error: errno = %d(%s)\n\n",
                                        errno, strerror(errno));
    }

    errno = errno_saved;
    printf("leave SIGCHLD handler\n");
}

int main(int argc, const char *argv[])
{
    pid_t pid;
    struct sigaction sigchld_act;

    SETSIG(sigchld_act, SIGCHLD, sig_chld, 0);

    int status;
    if ((status = system_without_signal("/bin/ls -l; exit 44")) < 0) {
        err_sys("system() error(status = %d): ", status);
    }
    pr_exit("system() return:", status);

    exit(EXIT_SUCCESS);
}

 

在這個例子中，我們調用的是system_without_signal，即不處理信號的system實現版本，並且調用者還設置了SIGCHLD的信號處理函數。好，基於這些條件，接下來我們考慮兩種情形：

情形1:在子進程正在運行指定程序時，或者說在子進程結束之前，父進程中的waitpid阻塞在那里。

這種情形下，一旦子進程結束，內核會向應用程序遞送SIGCHLD信號，運行信號處理函數，在信號處理函數中調用wait系列函數，那么現在問題來了：究竟是信號處理函數中的wait系列函數還是system_without_signal中的waitpid為子進程收屍呢？ 答案是未知的。因為信號本身是異步的，我們掌控不了（在我的系統中，waitpid還總能正確的獲取子進程退出狀態，而在信號處理函數中的wait卻返回-1，errno設置為ECHLD，表明沒有可收屍的子進程，見下圖。但是，在你的系統中，結果也許就是相反的噢）。所以，在這種情形下，我們得出的結論是：盡管system函數完成了其任務（正確執行了我們指定的程序），但卻有可能返回-1。很顯然，這不是我們希望發生的。

 

情形2:在一個繁忙的系統中，很可能在調用waitpid之前子進程就已經結束了，此時內核會向父進程遞送SIGCHLD信號。

在這種情形下，問題就更明顯了。在調用waitpid之前就已經調用了SIGCHLD信號的信號處理函數，信號處理函數中的wait函數為子進程收了屍，那么接下來的waitpid不就獲取不了子進程的退出狀態了嗎？ 事實也的確如此！我們可以在waitpid之前調用加個sleep來模擬系統負荷重的情形，會發現waitpid會出錯，返回-1，errno設置為ECHLD，表明沒有可收屍的子進程，最終system函數返回-1。所以，在這種情形下，我們得出的結論是：盡管system函數完成了其任務（正確執行了我們指定的程序），但卻一直返回-1。很顯然，這也不是我們希望發生的。

 

如果將上面例子中的system_without_signal替換成system_with_signal，那么system函數在調用fork之前就已經阻塞了SIGCHLD信號的話，那么就不會出現上述兩種情況了。因為阻塞了SIGCHLD信號，那么不管system函數創建的子進程什么時候結束，即不管SIGCHLD信號什么時候來，在沒有解除阻塞之前，是不會處理該信號的，即SIGCHLD信號是未決的。所以，無論如何，waitpid都會正確獲取子進程的退出狀態。只有在最后調用sigprocmask時，系統才會解除對SIGCHLD的阻塞。解除阻塞后，這才調用信號處理函數，不過這次信號處理函數中的wait會出錯，返回-1，errno設置為ECHLD,表明沒有可收屍的子進程。那么system函數就能正確的返回子進程的退出狀態了。

 

看到這里，你可能會說，問題都是SIGCHLD信號處理函數中的wait惹的禍，如果去掉SIGCHLD信號處理函數中的wait函數，不就不會帶來上述的兩個問題了嗎？ 我的答案是：的確可以避免上述兩個問題，即system函數可以正確的獲取子進程的退出狀態。但是這樣做還是會有問題的：我們先不管在SIGCHLD信號處理函數中不調用wait系列函數這種不正統的做法，我們在這里考慮這樣一種情形：如果信號處理函數需要運行一分鍾的時間才返回（實際編程中，信號處理函數要盡量短噢，這里只是一種極端的假設），那么system函數豈不是也要阻塞一分鍾才能返回？因為如果不阻塞SIGCHLD信號並且主進程注冊了SIGCHLD信號處理函數（未調用wait系列函數）,那么就需要等主進程的信號處理函數返回后waitpid才能接受到子進程的退出狀態,也就是信號處理函數需要運行多長時間，那么system也就需要這么多時間才能返回。一個函數的運行受到外界不確定因素的影響，這種情形還是應該避免的。所以在調用system函數的時候阻塞SIGCHLD,這樣在執行期間信號被阻塞就不會調用信號處理函數了,system中的waitpid就能"及時"地獲取到子進程的狀態。-- 但是仔細想想，其實system函數還是避免不了這種情形的，因為在最后調用sigprocmask解除阻塞時（一般在sigprocmask返回之前，就至少遞送一個阻塞的信號），還是會調用信號處理函數，system依然會阻塞，唯一的不同是，這種情況下waitpid是在調用信號處理函數之前就獲取了子進程的退出狀態，避免了多線程的諸多影響。所以，在平時的編程實踐當中，信號處理函數要盡量的短，這樣才不會對其他函數造成不必要的未知影響。

 

好，稍微總結一下：

system函數之所以阻塞SIGCHLD，是為了保證system函數能夠正確獲取子進程的退出狀態，並返回給system的調用者。

由此我們也可以引申出以下結論：

如果以后要寫一個函數，函數中fork了一個子進程，並且定義的函數要得到子進程的一些信息，例如子進程的ID、子進程的終止狀態等，而該函數的調用者所注冊的SIGCHLD信號處理函數會影響這個函數獲取這些信息，因此為了避免該函數在獲取這些信息之前，由於子進程的終止觸發SIGCHLD信號而先調用信號處理函數，在fork之前應該將SIGCHLD信號阻塞，在函數正確獲取相關信息后，才對SIGCHLD信號解除阻塞。

 

二、為什么忽略SIGINT和SIGQUIT

關於這點，APUE的解釋已經很明白了：因為由system執行的命令可能是交互式命令（例如ed程序），以及因為system的調用者在指定的命令執行期間放棄了對程序的控制（waitpid阻塞在那里），等待該執行程序的結束，所以system的調用者就不應該接收SIGINT和SIGQUIT信號，而只由子進程接收，這也是在子進程中一開始恢復SIGINT和SIGQUIT信號的原因。其實說白了，還是因為希望獲取子進程的退出狀態不受到外界干擾。

 

三、system函數的返回值 

很多人不推薦使用system函數，是因為它的返回值很多人沒有弄清楚。

（1）當參數command是NULL的時候

在參數為NULL的情況下，system函數的返回值很簡單明了，只有0和1。返回1，表明系統的命令處理程序，即/bin/sh是可用的。相反，如果命令處理程序不可用，則返回0。我們可以通過一個簡單的實驗來驗證下這個結論：

<span style="font-family:Microsoft YaHei;">#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>

int main(int argc, const char *argv[])
{
    int ret = system(NULL);
    printf("ret = %d\n", ret);

    return 0;
}
</span>

 在我的系統上通過ls -l /bin/sh可以看出/bin/sh是個軟鏈接，指向/bin/dash這個SHELL，我們可以通過unlink命令先取消這個軟鏈接，會發現程序返回0，如果再次建立這個軟鏈接，則system返回1.

 

（2）當參數command不是NULL的時候

當參數不為NULL的時候，情況有些小復雜，根據APUE這里可以分為以下三種情況：

    （2.1）如果fork等系統調用失敗，或者waitpid函數發生除EINTR外的錯誤時，system返回-1

    這種情況下，我們沒有辦法了，只能檢測errno的值來判斷是哪個系統調用出錯以及出錯的原因！

     那么為什么要排除waitpid發生EIINTR呢？ 對於這個問題，我們可以假設system函數的調用者設置了SIGUSR1信號的處理函數，那么當waitpid阻塞在那里時，向程序發送SIGUSR1信號，則waitpid會返回-1，errno被設置為EINTR。所以應該排除EINTR錯誤值，否則就獲取不到/bin/sh的退出狀態了。

    （2.2）一切致使execl失敗的情況下，system返回127

    致使execl失敗的原因應該只有兩個：/bin/sh不存在，再者就是指定的shell命令是非法的。   

<span style="font-family:Microsoft YaHei;">#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include "apue.h"

int main(int argc, const char *argv[])
{
    int ret = system("no_such_command");
    pr_exit("", ret);

    return 0;
}
</span>

測試結果：

第一次返回127是因為非法的指令，第二次卻是/bin/sh不存在導致的。
那么現在的問題是：如果指定的指令執行成功，且指令的返回值正好也是127，那么如何分辨是什么原因呢（例如上述程序中的是system("exit 127")）？ 貌似沒有辦法哦，所以我們在程序中盡量避免使用127作為返回值。

    （2.3）除此之外，system返回/bin/sh的終止狀態

          到這里，要強調的一點是：system返回的是/bin/sh的結束狀態，而不是我們指定的指令的返回狀態，盡管大部分時間它們是一樣的。因為/bin/sh也有可能異常終止，例如人為的通過kill向其發送SIGKILL，那么/bin/sh退出狀態就是9，而這跟指定的指令沒有任何關系。

     盡管有時參數command代表的指令執行過程中出了錯，但這不會影響/bin/sh的正常退出，看下面實例:

其中的tsys請自行參考APUE。很明顯，xxx目錄是不存在的，ls執行過程中發生了錯誤，返回值為2，shell接收到的就是512（為什么是512，具體下篇文章），shell將該值轉換成2后，最后由waitpid接收到該終止狀態，即512，pr_exit打印的結果是2，正是ls返回的終止狀態。

 

好了，通過之前的陳述我們知道system函數的返回值即shell的終止狀態，這個終止狀態是通過waitpid獲得的，那么怎么解釋這個返回值也就很明朗了 -- 使用檢查waitpid返回值的那些宏就可以了，這也正式pr_exit實現的方式（參考APUE第8章）。

 

以上說的都是指令正常終止，那么如果是異常終止了？system函數返回值可以正確反映這種狀態嗎？我們通過實驗來驗證，先看信號SIGINT：

再來看下信號SIGQUIT：

可見通過system函數的返回值是不可能知道程序是異常終止的，上面的返回值之所以分別是130和131，是/bin/sh特殊處理的：當正在執行的指令是被信號終止的話，那么終止狀態是128加上這個信號的編碼。

這里提醒一下讀者，如果你照着APUE的實驗操作，即直接在終端鍵入Ctrl+C和Ctrl+\的話，你的結果可能與作者的是不一樣的。我的結果就與作者的不一樣：

你的系統上的結果也許和我的也不一樣的，原因是不同的shell對信號的處理方式是不一樣的，APUE作者使用的shell對SIGINT和SIGQUI的處理應該都是忽略，從我上面的結果可以看出，dash忽略信號SIGQUIT。未完待續！

參考鏈接：

http://bbs.chinaunix.net/forum.php?mod=viewthread&tid=2078496

http://blog.chinaunix.net/uid-24774106-id-3048281.html?page=3