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本文的目的：分享一下在學校的時候分析shell源碼的一些收獲，幫助大家了解shell的一個工作流程，從軟件設計的角度，看看shell這樣一個歷史悠久的軟件的一些設計優點和缺陷。本文重點不是講SHELL語法，相信很多同事玩shell都很熟了。
本文的局限：限於本人技術水平和時間，肯定有不少錯誤和遺漏的地方，在當時的源碼注釋的過程中，也確實會有一直都不理解和存疑的地方，還請指正。但總的來說，主要邏輯和流程還是可以理清的。
分析的版本：首先選用最常用的bash，然后版本是bash4.2-release
bash代碼簡介：之前做過一個統計，shell源碼大概有10萬行，其中核心邏輯在1萬多行，這也是分析的目標代碼。剩下的包括引入的readline庫（也是個開源庫，處理輸入的），yacc語法分析器生成工具（開源庫，相信很多學過編譯原理的都知道這東西），以及很多為提高用戶界面友好性做得優化和輔助代碼（比如！的歷史操作）。
建議：在了解shell運行機制的同時，從軟件設計的角度來看他，會發現有很多可以優化和改進的地方（當然，因為shell本身是從比較久遠的年代發展而來，各種歷史因素相關），特別是，讀了下面內容的同學應該可以發現，命令解析那一塊，用C++的OO思想可以合理的設計命令的類層次結構，大大簡化代碼量和邏輯，有興趣的同學甚至可以自己動手寫來試試替換掉這一部分。
一.啟動過程
shell.c是shell主函數main所在文件。因此shell的啟動可以認為從shell.c文件開始。main函數完成的主要工作流程是包括：檢查啟動的運行環境（是否通過sshd啟動，是否運行於emacs環境下，是否運行於cgywin環境下，是否是交互式shell，是否是login shell等，對系統進行內存泄露檢查，是否是受限shell），讀取配置文件（順序為/etc/profile and( ~/.bash_profile OR ~/.bash_login OR ~/.profile)前面的存在不會讀后面的），設置運行需要的全局變量的值（當前環境變量、shell的名稱、啟動時間、輸入輸出文件描述符、語言本地化的相關設置），處理參數和選項（即帶有-c -s --debugger等參數和選項），設置參數和選項的值（run_shopt_alist ()函數調用shopt_setopt函數設置選項的值；綁定$位置參數的值）,然后根據不同的啟動參數進入以下不同分支：
-
如果是只進行參數擴展而不執行命令，調用
run_wordexp函數擴展參數，然后調用exit_shell(last_command_exit_value)函數以上次命令執行的返回值為返回值退出。 -
如果是以-c參數模式啟動shell，分為兩種情況：一：如果是附帶了字符串參數作為要執行的命令，則調用
run_one_command (command_execution_string)執行-c附帶的命令，參數command_execution_string保存-c后面附帶的字符串命令值。執行完畢后調用exit_shell (last_command_exit_value)退出。二：如果是期待用戶輸入要執行的命令，則跳轉到分支3。 -
將
shell_initialized置為1表示shell初始化完成。調用eval.c中定義的函數reader_loop()不斷的讀取和解析用戶輸入，如果reader_loop函數返回，則調用exit_shell、(last_command_exit_value)退出shell。
二.命令解析和執行流程
1. 主要相關文件
Eval.c Command.h Copy_cmd.c Execute_cmd.c Make_cmd.c 2. shell命令結構：
shell中用如下結構體來表示一個命令。
typedef struct command { enum command_type type; /* 命令的類型 */ int flags; /* 標記位，將影響命令的執行環境 */ int line; /* 命令從哪一行開始 */ REDIRECT *redirects; /*關聯的重定向操作*/ union {/*以下是一個聯合value，保存具體的“命令體”，可能是for循環，case條件， while循環等，union結構體的特征是只有一個值是有效的，因此以下命令種類是並列的，后 面有每一種命令類型的注釋*/ struct for_com *For; struct case_com *Case; struct while_com *While; struct if_com *If; struct connection *Connection; struct simple_com *Simple; struct function_def *Function_def; struct group_com *Group; #if defined (SELECT_COMMAND) struct select_com *Select; #endif #if defined (DPAREN_ARITHMETIC) struct arith_com *Arith; #endif #if defined (COND_COMMAND) struct cond_com *Cond; #endif #if defined (ARITH_FOR_COMMAND) struct arith_for_com *ArithFor; #endif struct subshell_com *Subshell; struct coproc_com *Coproc; } value; } COMMAND; 其中一個很關鍵的成員是聯合union類型value，它指出了該命令的類型，也給出了保存命令具體內容的指針。從該結構的可選值來看，shell定義的命令共有for循環、case條件、while循環、函數定義、協同異步命令等14種。
其中，經過對所有命令執行路徑的分析，確定類型為simple的command是經過命令替換后的最原子的命令操作，其余類型的命令都是由若干simple command構成的。
在shell啟動之后，無論是進入上面的2和3兩個分支中的哪一個，最后解析命令所用到的函數都是execute_cmd.c中定義的函數。分支1不涉及到命令的解析，所以不在這里分析。
3. 分支2的第一種情況：
run_one_command (command_execution_string) 執行的過程中調用parse_and_execute (在evalstring.c中定義）解析與執行命令，parse_and_execute中實際調用execute_command_internal函數進行命令的執行。
4. 分支2的第二種情況和分支3：
reader_loop函數調用read_command函數解析命令，read_command函數調用parse_command()函數進行語法分析，parse_command()調用語法分析器y.tab.c中的yyparse()（該函數由yyac自動生成，因此不再往函數內部跟進），將解析結果的命令字符串保存在全局變量GLOBAL_COMMAND中，然后執行execute_command函數（定義在execute_cmd.c中），execute_command函數再調用execute_command_internal函數進行命令的執行。至此分支2和分支3的情況又合並到execute_command_internal的執行上。
5. execute_command_internal內部流程：
該函數是shell源碼中執行命令的實際操作函數。他需要對作為操作參數傳入的具體命令結構的value成員進行分析，並針對不同的value類型，再調用具體類型的命令執行函數進行具體命令的解釋執行工作。
具體來說：如果value是simple，則直接調用execute_simple_command函數進行執行，execute_simple_command再根據命令是內部命令或磁盤外部命令分別調用execute_builtin和execute_disk_command來執行,其中，execute_disk_command在執行外部命令的時候調用make_child函數fork子進程執行外部命令。
如果value是其他類型，則調用對應類型的函數進行分支控制。舉例來說，如果是value是for_commmand,即這是一個for循環控制結構命令，則調用execute_for_command函數。在該函數中，將枚舉每一個操作域中的元素，對其再次調用execute_command函數進行分析。即execute_for_command這一類函數實現的是一個命令的展開以及流程控制以及遞歸調用execute_command的功能。
因此，從main函數啟動到命令執行的主要流程圖可以表現為下圖所示：
6. 從啟動到命令解釋的函數級流程圖：
括號內為函數定義所在的文件。
三. 變量控制
1. 主要相關文件
variables.c variables.h 2. 重要數據結構
BASH中主要通過變量上下文和變量兩個結構體來描述一個變量結構。以下分別介紹。
變量上下文：上下文又可以理解為作用域，可以比照C語言中的函數作用域，全局作用域來理解。一個上下文中的變量都是在這個上下文中可見的。
變量上下文結構定義：
typedef struct var_context { char *name; /* name如果為空則表示它存儲的是bash全局上下文，否則表示名為name的函數的局部上下文*/ int scope; /*上下文在調用棧中的層數，0代表全局上下文 ，每深入一層函數調用scope遞增1*/ int flags; /*標志位集合flags記錄該上下文是否為局部的、是否屬於函數、是否屬於內部命令，或者是不是臨時建立的等信息*/ struct var_context *up; /* 指向函數調用棧中上一個上下文*/ struct var_context *down; /*指向函數調用棧中下一個上下文*/ HASH_TABLE *table; /* 同一上下文中的所有變量集合hash表，即名值對 */ } VAR_CONTEXT; 描述一個變量的作用域的結構體。一個上下文中的所有變量，存放在var_context的table成員中。
變量：bash中的變量不強調類型，可以認為都是字符串。其存儲結構如下
typedef struct variable { char *name; /*指向變量的名 */ char *value; /*指向變量的值*/ char *exportstr; /*指向一個形如“名=值”的字符串*/ sh_var_value_func_t *dynamic_value; /* 如果是要返回一個動態值的函數，比如$SECONDS 或者$RANDOM，則函數指針指向生成該值的函數。*/ sh_var_assign_func_t *assign_func; /* 如果是特殊變量被賦值時需要調用的回調函數，則其函數指針值保存在這里 */ int attributes; /* 只讀，可見等屬性*/ int context; /*記錄該上下文變量屬於可訪問的作用域內局部變量 棧的哪一層*/ } SHELL_VAR; 由於所有變量籠統的由字符串來表示，因此提供了attributes屬性成員來修飾變量的特性，比如屬性可以是att_readonly表示只讀，att_array表示是數組變量，att_function表示是個函數，att_integer表示是整型類變量等等。
3. 作用機理
shell程序的執行伴隨着一個個上下文的切換，shell源碼中的變量控制也是基於這一點。將變量綁定於一個一個的上下文中。
舉例來說，一開始默認存在的是全局上下文，這里稱為global，其中包含有由main函數的參數或者配置文件傳入的變量值。如果這時進入了一個函數foo的執行中，則foo先從全局上下文獲取要導出的變量，加上自己新增的變量，構成foo的上下文局部變量，將foo的上下文壓入調用棧。這時調用棧看起來如下所示。
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棧頂 ：foo上下文(包含foo上下文的所有局部變量)
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棧底：global全局上下文(包含所有全局變量)
為了解釋更詳細的情況，假設在foo中又調用了fun函數，則fun先從foo中獲取要導出的變量，加上自己新增的變量，構成fun的上下文局部變量，然后將fun的上下文壓入調用棧的棧頂
。這是調用棧看起來如下所示。
-
棧頂 ：fun上下文(包含fun上下文的所有局部變量)
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棧中 ：foo上下文(包含foo上下文的所有局部變量)
-
棧底：global全局上下文(包含所有全局變量)
此時假設fun函數執行完畢，則將fun上下文從棧中pop出，局部變量全部失效。調用棧又變成如下所示。
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棧頂 ：foo上下文(包含foo上下文的所有局部變量)
-
棧底：global全局上下文(包含所有全局變量)
變量的查找順序：從棧頂往棧底，即如果棧頂上下文中沒有要查找的變量，則查找其在棧中的下一個上下文，如果整個調用棧查找完畢也沒有找到，則查找失敗。舉例來說，如果在棧頂上下文中有PWD變量（當前工作路徑），就不會去查找全局的PWD變量，這保證了局部變量覆蓋的正確語義。
4. 特殊變量：
bash中定義了若干特殊變量，特殊變量的意思是在該變量被修改后需要做一些額外的連貫工作。比如表示時區的變量TZ被修改了之后需要調用tzset函數修改系統中相應的時區設置。bash給這一類變量提供了一個回調函數接口，供其值發生改變的情況下來調用該回調函數。這可以類比數據庫中的觸發器機制。在bash中，特殊變量保存在一個全局數組special_vars中。其定義如下：
struct name_and_function { char *name;/*變量名*/ sh_sv_func_t *function;/*變量值修改時要觸發的回調函數的函數指針*/ }; 該結構表示一個特殊變量結構，用於生成specialvars數組。回調函數一般是sv變量名的命名方式。
static struct name_and_function special_vars[] = { { "BASH_XTRACEFD", sv_xtracefd }, #if defined (READLINE) # if defined (STRICT_POSIX) { "COLUMNS", sv_winsize }, # endif { "COMP_WORDBREAKS", sv_comp_wordbreaks }, #endif { "FUNCNEST", sv_funcnest }, { "GLOBIGNORE", sv_globignore }, #if defined (HISTORY) { "HISTCONTROL", sv_history_control }, { "HISTFILESIZE", sv_histsize }, { "HISTIGNORE", sv_histignore }, { "HISTSIZE", sv_histsize }, { "HISTTIMEFORMAT", sv_histtimefmt }, #endif #if defined (__CYGWIN__) { "HOME", sv_home }, #endif #if defined (READLINE) { "HOSTFILE", sv_hostfile }, #endif { "IFS", sv_ifs }, { "IGNOREEOF", sv_ignoreeof }, { "LANG", sv_locale }, { "LC_ALL", sv_locale }, { "LC_COLLATE", sv_locale }, { "LC_CTYPE", sv_locale }, { "LC_MESSAGES", sv_locale }, { "LC_NUMERIC", sv_locale }, { "LC_TIME", sv_locale }, #if defined (READLINE) && defined (STRICT_POSIX) { "LINES", sv_winsize }, #endif { "MAIL", sv_mail }, { "MAILCHECK", sv_mail }, { "MAILPATH", sv_mail }, { "OPTERR", sv_opterr }, { "OPTIND", sv_optind }, { "PATH", sv_path }, { "POSIXLY_CORRECT", sv_strict_posix }, #if defined (READLINE) { "TERM", sv_terminal }, { "TERMCAP", sv_terminal }, { "TERMINFO", sv_terminal }, #endif /* READLINE */ { "TEXTDOMAIN", sv_locale }, { "TEXTDOMAINDIR", sv_locale }, #if defined (HAVE_TZSET) && defined (PROMPT_STRING_DECODE) { "TZ", sv_tz }, #endif #if defined (HISTORY) && defined (BANG_HISTORY) { "histchars", sv_histchars }, #endif /* HISTORY && BANG_HISTORY */ { "ignoreeof", sv_ignoreeof }, { (char *)0, (sh_sv_func_t *)0 } };