本文简单介绍了 bash 的启动过程；shell 变量和环境变量的区别及相互转换；环境变量传递给子进程的过程；在当前环境下执行脚本及其实际应用，本文适合 Linux 初学者。

1. 导言

  • shell 是一个 Linux 的命令行解释器，Linux 下有很多 shell，其中 ubuntu 中默认的 shell 应该是 dash，因为我们看到 /bin/sh 被链接到了 dash

    /bin/sh–>dash

    图1：/bin/sh指向dash
  • 但是当你启动终端时(不管是在桌面还是远程)，默认启动的却是 bash(Bourne-Again SHell)，bash 是 GNU(Gnu's Not Unix) 开发的；
  • 使用 cat /etc/shells 命令可以看到在你的 Linux 下有那些 shell；使用 echo $SHELL 可以看到当前你正在使用的 shell；
  • 本文中如无特别说明，shell 指的是 bash，所有范例在 ubuntu 20.04 下完成，在更高版本的 ubuntu 上，可能会有些微区别；在较低版本的 ubuntu 上不能保证有相同的效果。

2. 终端是如何启动 shell 的

  • ubuntu 的 1 号进程是 systemd，这是 ubuntu 在加载完 Linux 内核后启动的第一个进程，是所有其它进程的祖宗；

  • 你可能用 ps aux(ps -ef) 命令发现 1 号进程是 /sbin/init，而不是 systemd，但你用 ls -l /sbin/init 看一下就会恍然大悟；

    1号进程

    图2：1号进程

    init进程指向systemd

    图3：/sbin/init指向systemd

  • 当你在 ubuntu 桌面版上启动一个终端时，会启动一个 gnome-terminal 进程，gnome-terminal 进程启动了 bash 进程，这样你就看到可爱的提示符了，这个过程使用 pstree 命令一目了然；

    gnome-terminal进程启动bash

    图4：gnome-terminal进程启动bash

  • 当你使用 ssh 客户端远程登录到 Linux 系统时，bash 进程是由 sshd 进程启动的，这个也可以用 pstree 命令看到

    sshd进程启动bash

    图5：sshd进程启动bash
  • 只有启动了 bash 你才拥有了一个 shell 环境，你才能够在终端上输入命令，你从键盘输入的任何内容都必须由 bash 进行解释并做出进一步的处理。

3. shell 变量和环境变量

  • shell 变量

    • shell 管理着一个变量表，这使得用户可以自己定义变量，这些变量是在 shell 下建立，由 shell 管理，在 shell 下使用
    • 在启动 shell(bash) 的时候，shell 会创建一些变量(不同的 shell 创建的变量会有所不同)，同时，shell 在启动过程中还会去执行一些可以由客户自定义的脚本，比如：在启动 bash 时会执行：/etc/bash.bashrc，在登录时会执行：~/.bashrc等，这些脚本通常也会建立一些变量；
    • 由于有些脚本是在用户登录时执行的，比如：~/.bashrc，而这个脚本是放在用户的 home 目录下的，这就使得不同的用户在登录时可以执行不同的脚本，从而每个用户在登录后所建立的 shell 变量也可以是不一样的
    • 在 shell 下，可以直接用：变量名=变量值 的方法定义或修改 shell 变量；也可以用：unset 变量名 来删除变量，按照惯例，shell 变量名使用 大写字母
    • 使用 set 命令可以查看当前所有的 shell 变量；用 echo $变量名 可以显示指定变量名的值。

  • 环境变量

    • 环境变量也是 shell 变量，但环境变量却不等同于 shell 变量，我们暂时把不是环境变量的 shell 变量称作 普通 shell 变量，在 bash 内部，环境变量与普通 shell 变量的区别，仅仅是一个不同的标记而已；
    • 环境变量和普通 shell 变量的最主要的区别是，在建立一个子进程时，环境变量会被传递给这个子进程，而普通 shell 变量不会，所以，环境变量可能会对一个子进程的行为产生影响，因为子进程可以根据环境变量的值做出不同的动作；
    • 环境变量可以使用 export 变量名=变量值 进行设置，可以像普通 shell 变量一样用 unset 变量名 进行删除；
    • 可以使用 printenv 命令查看所有的环境变量；用 echo $变量名 可以显示指定环境变量的值；也可以用 printenv 环境变量名 来显示一个环境变量的值；
    • env 如果不带参数的话，也是可以显示环境变量的，但这个命令主要用于在指定环境下执行命令。

  • 关于 env 命令的两个例子

    • env 环境变量名=变量值 命令 和 env -u 环境变量名 命令 都只能临时在一个新的环境中改变或者删除一个变量，用于在一个指定的环境中执行命令，这一点在很多文章中都没有明确说明；
    • 下面的例子设置了一个临时环境变量 ENV_VAR_1，并且在这个临时环境中将这个变量的值打印出来： 
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      $ printenv ENV_VAR_1                           # 当前环境下，不存在环境变量 ENV_VAR_1
$ env ENV_VAR_1=first_value printenv ENV_VAR_1 # 临时设置环境变量并打印出值
first_value                                    # 临时设置的环境变量ENV_VAR_1的值
$ printenv ENV_VAR_1                           # 当前环境下，仍然不存在环境变量 ENV_VAR_1
$
    • 下面的例子中在临时环境中删除一个在当前环境中存在的环境变量，在临时环境中打印该环境变量为空，确定该环境变量在临时环境中已经不存在； 
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      $ export ENV_VAR_2=second_value                  # 当前环境下设置环境变量
$ printenv ENV_VAR_2                             # 打印该环境变量的值
second_value
$ env -u ENV_VAR_2 printenv SHELL ENV_VAR_2 USER # 临时删除该环境变量，并在临时环境中打印该变量
/bin/bash                                        # SHELL变量的值
demouser                                         # USER变量的值，偏偏没有变量ENV_VAR_2的值
$ printenv ENV_VAR_2                             # 当前环境下打印环境变量ENV_VAR_2
second_value
$

  • 环境变量和普通 shell 变量的转换

    • 普通 shell 变量，通过 export 变量名 可以转变成环境变量； 
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      $ set|grep VAR_TO_ENVVAR                # 没有VAR_TO_ENVVAR这个shell变量
$ VAR_TO_ENVVAR=convert_var_to_envvar   # 设置VAR_TO_ENVVAR
$ set|grep VAR_TO_ENVVAR                # VAR_TO_ENVVAR是一个shell变量
VAR_TO_ENVVAR=convert_var_to_envvar
$ printenv|grep VAR_TO_ENVVAR           # VAR_TO_ENVVAR不是一个环境变量
$ export VAR_TO_ENVVAR                  # 执行export命令
$ printenv|grep VAR_TO_ENVVAR           # VAR_TO_ENVVAR已经变成一个环境变量
VAR_TO_ENVVAR=convert_var_to_envvar
$
    • 普通 shell 变量，通过 declare -x 变量名 可以转变成环境变量： 
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      $ unset VAR_TO_ENVVAR                   # 删除变量VAR_TO_ENVVAR
$ VAR_TO_ENVVAR=convert_var_to_envvar   # 设置VAR_TO_ENVVAR
$ set|grep VAR_TO_ENVVAR                # VAR_TO_ENVVAR是一个shell变量
VAR_TO_ENVVAR=convert_var_to_envvar
$ printenv|grep VAR_TO_ENVVAR           # VAR_TO_ENVVAR不是一个环境变量
$ declare -x VAR_TO_ENVVAR              # 执行declare命令
$ printenv|grep VAR_TO_ENVVAR           # VAR_TO_ENVVAR已经变成一个环境变量
VAR_TO_ENVVAR=convert_var_to_envvar
$
    • 环境变量，通过 declare +x 变量名 可以转变成普通shell变量： 
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      $ export ENV_VAR_1=testing    # 设置一个环境变量
$ printenv|grep ENV_VAR_1     # 确认设置成功
ENV_VAR_1=testing
$ declare +x ENV_VAR_1        # 执行declare +x命令
$ printenv|grep ENV_VAR_1     # 该变量已经不再是环境变量
$ set|grep ENV_VAR_1          # 该变量仍然是一个普通shell变量
ENV_VAR_1=testing
$
    • declare 变量名=变量值 可以用来设置或修改一个普通 shell 变量的值；declare -x 变量名=变量值 可以用来设置或修改一个环境变量的值；declare -x 变量名 可以将普通 shell 变量变成环境变量；declare +x 变量名 可以将环境变量变成普通shell变量；

在 Bourne Shell 家族中(bash - Bourne-Again SHell)对变量和环境变量的区分确实不是很严格，很容易混为一谈，比如：两者按惯例都是用大写字母表示，设置和删除方法相同；但是在 C Shell(csh) 是进行了严格区分的，在 csh 中，按惯例 shell 变量使用小写字母，环境变量使用大写字母，shell 变量使用 set 和 unset 命令进行设置和删除，而环境变量必须用 setenv 和 unsetenv 命令进行设置和删除。

4. bash 如何将环境变量传给子进程

  • bash 如何执行一个命令

    • shell 在收到一个换行符(new line，ASCII 码 0x0A)时开始解释命令行的命令；
    • shell 查找命令是否有别名(alias)，如果有则用别名代替命令；
    • 如果命令中不包含 "/"，shell 首先查找同名函数，如果有，执行这个函数即可；
    • 如果没有同名函数则查找内建命令，如果是内建命令，则在 bash 内部执行即可；
    • 如果也不是内建命令，则根据环境变量 PATH 的顺序查找命令文件；
    • 如果找不到命令文件，则显示错误信息并回到提示符接收下面的命令；
    • 如果找到命令文件或者命令中有 "/" 字符，bash 会 fork 一个子进程，自身进程执行 wait() 等待子进程结束，然后在子进程中执行 execve()，一切的其他工作交给 execve() 来处理；

  • 环境变量的传递

    • 我们看一下 execve() 的手册

      execve()说明

      图6：execve()手册
    • 在执行 execve() 时，需要传递三个参数过去，filename - 要执行的程序文件名；argv[] - 执行这个程序需要的参数；envp - 环境变量；环境变量就是这样传递给了可执行程序；
    • 大家可能注意到，shell 不仅可以执行一个二进制的程序，也可以执行一个 shell 脚本(ASCII 文本文件)，我们并不需要告诉 shell 我们在执行那种文件，而 shell 却不会搞错，其实这个识别过程也是 execve() 的功劳；

      execve() 在执行程序时首先要读出文件的前 128 个字节，用以分析文件的类别，以便用适当的方式执行这个文件；比如：shell 脚本文件的前两个字符是 "#!"，这一点在手册中有明确说明；ELF 文件的前四个字符是：0x45 0x4c 0x46 0x7c 等，还有其它不同的可执行格式，这个过程其实还是比较复杂的，但是和 shell 变量毫无关系，所以不在本文讨论的范围内；

  • 一个打印环境变量的C程序

    • 该程序只是验证传递给子进程的环境变量不包括普通 shell 变量
    • 源代码，文件名：print_env.c 
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      #include<stdio.h>

extern char **environ;

int main() {
    int i;

    for (i = 0; environ[i]; i++)
        printf("*%s\n", environ[i]);

    return 0;
}
    • 编译执行 
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      $ gcc print_env.c -o print_env
$ ./print_env
    • 本程序打印出的环境变量与 printenv 命令打印出的结果一致。

  • 跟踪程序的执行

    • 用 strace ./print_env 可以清楚地看到环境变量被传递给了程序 print_env

      跟踪程序print_env

      图7：跟踪程序print_env
    • 我们先用 printenv|wc -l 打印出环境变量的数量，然后我们看到有相同数量的变量被传递给了我们的程序 print_env；

  • 环境变量对启动程序的影响

    • 上面这个小程序我们在运行时是使用 ./print_env 的方式运行的，其中 "./" 表示当前路径，但是这个程序其实就在当前目录下，我们为什么一定要指定路径呢？我们试一下不指定路径会怎样

      command not found

      图8：命令执行失败

    • 这是因为 shell 是沿着环境变量 PATH 的顺序来查找命令文件的，而当前目录 ./ 并不在当前的 PATH 中，我们可以试着把 ./ 加入到环境变量 PATH 中，然后再运行一下试试；

      执行print_env成功

      图9：执行print_env成功
    • 正如我们所期待的，执行成功了

  • 子进程中无法修改父进程环境的环境变量

    • shell 传递给的程序的环境仅仅是父进程环境的一个副本，所以我们在程序中改变这个副本中的变量都无法改变父进程的环境，当程序运行结束时，这个环境副本将被销毁；
    • 下面这个例子我们首先在 shell 下定义一个环境变量 ENV_VAR_1，然后编写一个脚本修改这个环境变量，在脚本退出后我们再次打印这个环境变量；

      脚本文件名为：chg_envvar.sh，脚本的代码如下：

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      #!/bin/bash

echo "Print environment variable - ENV_VAR_1"
printenv ENV_VAR_1
echo "Change ENV_VAR_1 to 'second_value'"
ENV_VAR_1="second value"
echo "Again, print environment variable - ENV_VAR_1"
printenv ENV_VAR_1

exit 0

      下面我们完成这个测试

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      whowin@ubuntu:~$ chmod +x chg_envvar.sh
whowin@ubuntu:~$ export ENV_VAR_1="first value"
whowin@ubuntu:~$ printenv ENV_VAR_1
first value
whowin@ubuntu:~$ ./chg_envvar.sh
Print environment variable - ENV_VAR_1
first value
Change ENV_VAR_1 to 'second_value'
Again, print environment variable - ENV_VAR_1
second value
whowin@ubuntu:~$ printenv ENV_VAR_1
first value
whowin@ubuntu:~$

      我们看到，在脚本内部执行 printenv ENV_VAR_1 时，打印出来的结果已经是 second value，说明我们已经修改成功了这个环境变量的值，但当脚本退出，我们再次打印这个变量时，其值仍然是 first value，并没有改变，这说明我们在子进程中对环境的修改并不能影响到父进程。

5. 在当前环境下运行程序

  • 我们在前面一再强调，shell 在执行一个程序的时候会先 fork 一个子进程，然后在子进程中执行程序，这实际上是 shell 为执行一个程序新建立了一个环境，然后在这个环境中执行程序，当然这个新环境继承了父进程的环境；

  • 其实，shell 也可以不 fork 一个子进程，而是直接在当前进程下执行你的程序，shell 下有一个内建命令 source 就是为此而设计的，我们先来看看这个命令的手册：

    source的help手册

    图10：source命令的help手册

  • 说明已经很清楚了，要说明的是 source 命令只能执行脚本文件；

  • 我们提出的问题是，既然 source 命令是在当前 shell 下执行程序，那是不是意味着上面那个改变环境变量的脚本文件可以改变当前 shell 下的环境变量了呢？我们执行一下试试；

  • 我们在前面执行脚本时使用的命令是：./chg_envvar.sh，我们已经解释过 "./" 的含义以及为什么要有 "./"，这次我们执行这个脚本准备用 . ./chg_envvar.sh 来执行，只是在原来命令的前面多了 ". "，点后面有个空格，其实这个 "." 就等同于 source，所以这个命令就相当于 source ./chg_envvar.sh

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    whowin@ubuntu:~$ . ./chg_envvar.sh

  • 当我们用这种方法执行这个脚本的时候，我们发现意外出现了，整个 shell 都退出了，这是为什么呢？

    这是因为在我们的脚本的最后一行有一个 exit 0 语句，正常情况下，如果我们不使用 source 去运行时，exit 会退出 shell 为这个脚本建立的子进程，所以一点问题都没有，但是当用 source 去运行这个脚本时，没有建立子进程，那么退出的就是当前 shell 进程，所以你的 shell 就没有了，因为被你运行的脚本退出了；但是如果我们不使用 exit 而使用 return 退出确实是可以解决在使用 source 命令运行的问题，但是不使用 source 运行就要出问题了，大家自己可以试一下；

    那么是不是可以不写 exit 和 return 呢？当然可以，但是这不是写 shell 脚本的好习惯，因为执行完你的脚本后，可能还要执行下一个脚本，而下一个脚本可能要判断你的这个脚本的返回值，所以在写脚本时返回一个有意义的值是非常良好的习惯；

    其实我们修改一下这个脚本就可以解决这个问题，这里仅提供源码，解释超出了本文涉及的内容：

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    whowin@ubuntu:~$ cat chg_envvar.sh 
#!/bin/bash

echo "Print environment variable - ENV_VAR_1"
printenv ENV_VAR_1
echo "Change ENV_VAR_1 to 'second_value'"
ENV_VAR_1="second value"
echo "Again, print environment variable - ENV_VAR_1"
printenv ENV_VAR_1

if [ $0 != "$BASH_SOURCE" ]; then
    return 0
else
    exit 0
fi
whowin@ubuntu:~$

  • 用这种方法，也可以让某些必须用 source 运行的程序如果没有在 source 下运行，可以给出提示并停止运行；

  • 现在回到正题，这个脚本能不能改变当前 shell 下的环境变量呢？答案是肯定的。

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    whowin@ubuntu:~$ export ENV_VAR_1="first value"
whowin@ubuntu:~$ printenv ENV_VAR_1
first value
whowin@ubuntu:~$ source ./chg_envvar.sh 
Print environment variable - ENV_VAR_1
first value
Change ENV_VAR_1 to 'second_value'
Again, print environment variable - ENV_VAR_1
second value
whowin@ubuntu:~$ printenv ENV_VAR_1
second value
whowin@ubuntu:~$

  • 很显然，脚本 chg_envvar.sh 运行完毕后，我们发现，环境变量 ENV_VAR_1 已经发生了改变；

  • 实际上这种方法是一种常用的方法，常被用于改变当前环境；

    在嵌入式开发中，不同的开发板使用的 CPU 可能不同，这样在交叉编译时的工具链也不同，不同的开发板即便是相同的CPU也可能使用不同的工具链进行编译，比如即便是相同的CPU可能有些需要用软浮点的编译器，有些使用硬浮点的编译器，这时我们可以用上面的方法为每一个交叉编译的工具链写一个脚本，脚本中为某个指定的工具链所需的环境，然后用 source 去运行，下面是我的环境下的一个例子：

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    whowin@ubuntu:~$ cat a8.sh
#!/bin/bash
#A8 arm-linux-gnueabi工具链
export PATH=/home/whowin/toolschain/4.5.1/bin:$PATH
whowin@ubuntu:~$

6. 结语

  • 启动终端程序时启动了 bash 进程，使我们可以在 shell 下输入命令；
  • 环境变量也是 shell 变量，但又与 shell 变量略有不同；
  • 环境变量与普通 shell 变量的主要区别是环境变量会传递给新建的子进程；
  • 环境变量和普通 shell 变量之间可以使用 export 或 declare 进行转换；
  • shell 可以在当前进程下运行脚本程序(不创建子进程)，这种运行方式常被用于改变当前运行环境下的环境变量。

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