在 c 中执行不带任何选项的命令“cat”

Question

如果没有给出 arguments 或重定向使用，则 cat 命令从标准输入读取。 但是当我用execve()执行它时，它的行为不像在 bash 中那样。

代码：

#include <unistd.h>
#include <fcntl.h>

int main(int ac, char **av, char **env)
{
    char *args[] = {"/bin/cat",NULL};
    int ps = fork();
    if (!ps)
        execve("/bin/cat",args, env);
}

Output：

cat: stdin: Input/output error

我尝试在没有 arguments 的情况下运行它，但它返回错误。

Answer 1

假设：您正在从终端中运行的 shell 运行此程序。 （否则你不会看到这种行为。）

注意：如果您尝试重现此内容，由于父子之间的竞争条件，您可能会看到不同的效果。 问题中的行为是最有可能的，你可以用下面的child_sleeps变体强制它，但是如果孩子在父母退出之前获得大量 CPU 时间，你可能会观察到不同的行为 - 我将在下面用parent_sleeps解释变种。

不带参数的cat尝试从其标准输入（即文件描述符 0）读取。 由于没有任何东西重定向标准输入，它仍然是终端。 尝试从终端读取时 go 会出现什么错误？ 让我们查阅一些有关read的文档，例如OpenBSD 手册页¹或Linux 手册页或POSIX 规范。 引用 POSIX（其他人的措辞或多或少地复制）：

该进程是试图从其控制终端读取的后台进程组的成员，并且调用线程正在阻塞 SIGTTIN 或进程正在忽略 SIGTTIN 或进程的进程组是孤立的。

要理解这一点，您需要了解进程组的基础知识以及它们如何与终端交互。

进程组的基本思想是它由一个进程、它的子进程、它的孙进程等组成，除了已经移动到它们自己的进程组中的子（sub...）进程。 当您从 shell 运行命令时，shell 会将其放入自己的进程组中。 所以有一个进程组，其中包含程序的原始进程和调用fork创建的子进程，没有其他进程。

现在关于终端的部分。 基本思想是一次只有一个程序可以访问终端。 否则，哪个程序会接收输入？ 有些程序使用子进程，因此终端的所有权属于进程组，而不仅仅是进程。 拥有终端的进程组称为前台进程组，其他进程组为后台进程组。 shell命令fg使一个进程组成为前台进程组。

当进程尝试从终端读取时，kernel 检查它是否“拥有”终端。 更准确地说，进程应该在前台进程组中。 不相关的进程也可以从终端读取（只要它有权打开它，这是公平的游戏，即使这是一件不寻常的事情）。 但是不允许属于后台进程组的进程从终端读取。 正常情况下，kernel给进程发送SIGTTIN信号，默认效果是挂起进程^2,3 。 但是，如果进程忽略或阻止 SIGTTIN，则还有一个进一步的步骤可以防止进程读取： read系统调用因EIO而出错。 这是为了避免不相关的后台程序意外“窃取”前台程序的某些输入的情况。

现在我们可以将它与cat发生的事情联系起来。 当cat运行时，它的父级已经退出。 （原则上，如果cat启动足够快，父进程可能还没有退出，但这不太可能。我将在下面用parent_sleeps变体讨论这个问题。）所以子cat进程在它的进程组中是单独的。 当父进程退出时，shell收回终端的所有权，所以cat的进程组是后台进程组，kernel会试图阻止它从终端读取。

但是我们还没有完成： cat没有尝试处理 SIGTTIN，那么为什么 kernel 不发送这个信号呢？ 这是EIO的另一种情况： 孤立的进程组。 一旦父进程退出（和 shell 通知）， cat的父进程就不再退出。 但是进程必须有一个父进程，因此 init 进程（PID 1）“采用”孤儿进程：如果进程的原始父进程消失，则进程的父进程设置为 1。由于cat在其进程组中是单独的，并且父进程是1 不是同一个 session 的一部分，进程组是一个孤儿进程组，kernel 使read返回EIO 。

顺便说一句，对孤立进程组进行不同处理的原因是，在正常情况下，如果用户在 shell 中运行fg命令，则后台进程组可能 go 回到前台。所以如果后台程序尝试读取从终端，它被暂停，直到它重新获得对终端的访问权限。 但是，如果进程组是孤立的，则不再有用户可以放在前台的 shell 作业，因此没有“正常”的方式让进程返回到 state 允许读取的位置终点站。 所以暂停它是没有意义的：阅读是并且将仍然是一个错误。

要让cat在后台运行，请保持其父进程运行。 您可以运行以下变体parent_waits ，其中父进程等待进程退出。

/* parent_waits.c */
#include <unistd.h>
#include <fcntl.h>

int main(int ac, char **av, char **env)
{
    char *args[] = {"/bin/cat",NULL};
    int ps = fork();
    if (ps) {
        int status;
        wait(&status);
    } else {
        execve("/bin/cat",args, env);
    }
}

我在上面提到过存在竞争条件。 如果您不能可靠地重现问题中的行为，请使用下面的child_sleeps变体，其中孩子睡足够长的时间以使父母完成退出。

/* child_sleeps.c */
#include <unistd.h>
#include <fcntl.h>

int main(int ac, char **av, char **env)
{
    char *args[] = {"/bin/cat",NULL};
    int ps = fork();
    if (!ps) {
        usleep(100000);
        execve("/bin/cat",args, env);
    }
}

如果父母退出的速度很慢，则cat可能会在父母退出之前读取。 您可以通过在启动cat之前添加延迟来强制执行此行为，使用以下parent_sleeps变体：

/* parent_sleeps.c */
#include <unistd.h>
#include <fcntl.h>

int main(int ac, char **av, char **env)
{
    char *args[] = {"/bin/cat",NULL};
    int ps = fork();
    if (ps) {
        sleep(1);
    } else {
        execve("/bin/cat",args, env);
    }
}

使用此变体，直到sleep结束（上面代码中的 1 秒，根据需要调整）， cat正常工作。 然后父母退出，你得到一个 shell 提示。 之后，当cat再次尝试读取时，它会收到EIO 。

$ ./parent_sleeps
one
one
$ two
two
/bin/cat: -: Input/output error

最后一点：您可能想通过查看调试器或跟踪系统调用来观察正在发生的事情。 但是你需要注意不要改变进程组的情况。 比如在Linux下，如果尝试用strace, the strace`进程也在进程组中，一直在前台。

strace -o strace_in_foreground.strace -f ./a.out

要观察导致 EIO 案例的系统调用，请告诉strace分离被跟踪的程序。

strace -o program_in_background.strace -D -f ./a.out

¹_{令人失望的是， FreeBSD 手册省略了相关案例。}

²_{如果这发生在作为 shell 中的作业的进程组中，则 shell 会打印一条消息，例如“已暂停（tty 输入）”（zsh）或“已停止（SIGTTIN）”（ksh）或“已停止”（bash）） .}

³_{尝试写入和 SIGTTOU 信号也会发生同样的情况。 然而，对于 output，进程可以忽略 SIGTTOU 并且写入将通过 go。}