為shell佈置陷阱：trap捕捉信號方法論

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本文目錄： 1.1 信號說明 1.2 trap佈置陷阱 1.3 佈置完美陷阱必備知識 家裡有老鼠，快消滅它！哎，又給跑了。老鼠這小東西跑那麼快，想直接直接消滅它還真不那麼容易。於是，老鼠藥、老鼠夾子或老鼠籠就派上用場了，它們都是陷阱，放在那靜靜地等待著老鼠的光顧。 在shell中，也可以捉"老鼠"， ...


本文目錄：

1.1 信號說明

1.2 trap佈置陷阱

1.3 佈置完美陷阱必備知識

家裡有老鼠，快消滅它！哎，又給跑了。老鼠這小東西跑那麼快，想直接直接消滅它還真不那麼容易。於是，老鼠藥、老鼠夾子或老鼠籠就派上用場了，它們都是陷阱，放在那靜靜地等待著老鼠的光顧。

在shell中，也可以捉"老鼠"，捉到"老鼠"後，可以無視它、殺死它或者抓起來逗一番。只需使用內置命令trap(中文就翻譯為陷阱、圈套)就可以佈置一個陷阱，這個陷阱當然不是捕老鼠的，而是捕捉信號。

通常trap都在腳本中使用，主要有2種功能：

(1).忽略信號。當運行中的腳本進程接收到某信號時(例如誤按了CTRL+C)，可以將其忽略，免得腳本執行到一半就被終止。

(2).捕捉到信號後做相應處理。主要是清理一些腳本創建的臨時文件，然後退出。

1.1 信號說明

詳細的信號說明見：信號。常見的信號以及它們的數值代號、說明如下：

Signal     Value     Comment
─────────────────────────────
SIGHUP        1      終止進程，特別是終端退出時，此終端內的進程都將被終止
SIGINT        2      中斷進程，幾乎等同於sigterm，會儘可能的釋放執行clean-up，釋放資源，保存狀態等(CTRL+C)
SIGQUIT       3      從鍵盤發出殺死(終止)進程的信號
 
SIGKILL       9      強制殺死進程，該信號不可被捕捉和忽略，進程收到該信號後不會執行任何clean-up行為，所以資源不會釋放，狀態不會保存
SIGTERM      15      殺死(終止)進程，幾乎等同於sigint信號，會儘可能的釋放執行clean-up，釋放資源，保存狀態等
 
SIGSTOP      19      該信號是不可被捕捉和忽略的進程停止信息，收到信號後會進入stopped狀態
SIGTSTP      20      該信號是可被忽略的進程停止信號(CTRL+Z)

每個信號其真實名稱並非是SIGXXX，而是去除SIG後的單詞，每個信號還有其對應的數值代號，在使用信號時，可以使用這3種方式中的任一一種。例如SIGHUP，它的信號名稱為HUP，數值代號為1，發送HUP信號時，以下3種方式均可。

kill -1 PID
kill -HUP PID
kill -SIGHUP PID

在上面所列的信號列表中，KILL和STOP這兩個信號無法被捕捉。一般來說，在設置信號陷阱時，只會考慮HUP、INT、QUIT、TERM這4個會終止、中斷進程的信號。

1.2 trap佈置陷阱

trap的語法格式為：

1.   trap [-lp]
2.   trap cmd-body signal_list
3.   trap '' signal_list
4.   trap    signal_list
5.   trap -  signale_list
 
語法說明：
語法1：-l選項用於列出當前系統支持的信號列表，和"kill -l"一樣的作用。
       -p選項用於列出當前shell環境下已經佈置好的陷阱。
語法2：當捕捉到給定的信號列表中的某個信號時，就執行此處給定cmd-body中的命令。
語法3：命令參數為空字元串，這時shell進程和shell進程內的子進程都會忽略信號列表中的信號。
語法4：省略命令參數，重置陷阱為啟動shell時的陷阱。不建議此語法，當給定多個信號時結果會出人意料。
語法5：等價於語法4。
trap不接任何參數和選項時，預設為"-p"。

(1).查看當前shell已佈置的陷阱。

[root@xuexi ~]# trap
trap -- '' SIGTSTP
trap -- '' SIGTTIN
trap -- '' SIGTTOU

這3個陷阱都是信號忽略陷阱，當捕獲到TSTP、TTIN或TTOU信號時，將不做任何處理。

(2).設置一個可以忽略CTRL+C和15信號的陷阱。

[root@xuexi ~]# trap '' SIGINT SIGTERM
[root@xuexi ~]# trap
trap -- '' SIGINT
trap -- '' SIGTERM
trap -- '' SIGTSTP
trap -- '' SIGTTIN
trap -- '' SIGTTOU

這樣一來，當前的shell就無法被kill -15殺死。

[root@xuexi ~]# kill $BASHPID;echo kill current bash failed
kill current bash failed

(3).設置一個陷阱，當這個陷阱捕捉到15信號時，就列印一條消息。

[root@xuexi ~]# trap 'echo caught the TERM signal' TERM 
[root@xuexi ~]# kill $BASHPID
caught the TERM signal

再查看已設置的陷阱，之前設置為忽略TERM信號的陷阱已經被覆蓋。

[root@xuexi ~]# trap
trap -- '' SIGINT
trap -- 'echo caught the TERM signal' SIGTERM
trap -- '' SIGTSTP
trap -- '' SIGTTIN
trap -- '' SIGTTOU

(4).重置針對INT和TERM這兩個信號的陷阱為初始狀態。

[root@xuexi ~]# trap - SIGINT SIGTERM
[root@xuexi ~]# trap
trap -- '' SIGTSTP
trap -- '' SIGTTIN
trap -- '' SIGTTOU

(5).在腳本中設置一個能忽略CTRL+C和SIGTERM信號的陷阱。

[root@xuexi ~]# cat trap1.sh
#!/bin/bash
# script_name: trap1.sh
#
trap '' SIGINT SIGTERM
sleep 10
echo sleep success

當執行該腳本後，將首先陷入睡眠狀態，按下CTRL+C將無效。仍會執行完所有的命令。

[root@xuexi ~]# ./trap1.sh
^C^C^C^Csleep success

(6).佈置一個當腳本中斷時能清理垃圾並退出立即腳本的陷阱。

[root@xuexi ~]# cat trap1.sh
#!/bin/bash
# script_name: trap1.sh
#
trap 'echo trap handling...;rm -rf /tmp/$BASHPID$BASHPID;echo TEMP file cleaned;exit' SIGINT SIGTERM SIGQUIT SIGHUP
mkdir -p /tmp/$BASHPID$BASHPID/
touch /tmp/$BASHPID$BASHPID/{a.txt,a.log}
sleep 10
echo first sleep success
sleep 10
echo second sleep success

這樣，無論是什麼情況中斷(除非是SIGKILL)，腳本總能清理掉臨時垃圾。

1.3 佈置完美陷阱必備知識

(1).陷阱的守護對象是shell進程本身，不會守護shell環境內的子進程。但如果是信號忽略型陷阱，則會守護整個shell進程組使其忽略給定信號。

以下麵這個腳本為例，設置的陷阱會捕捉到SIGING和SIGTERM兩個信號，捕捉到信號時將輸出陷阱做出處理的時間點。

[root@xuexi ~]# cat trap2.sh
#!/bin/bash
# script_name: trap2.sh
#
trap 'echo trap_handle_time: $(date +"%F %T")' SIGINT SIGTERM
echo time_start: $(date +"%F %T")
sleep 10
echo time_end1: $(date +"%F %T")
sleep 10
echo time_end2: $(date +"%F %T")

執行該腳本，並另開一個會話視窗，殺死trap2.sh腳本。

[root@xuexi ~]# ./trap2.sh
[root@xuexi ~]# killall -s SIGTERM trap2.sh

執行結果如下。

time_start: 2017-08-14 12:59:23
trap_handle_time: 2017-08-14 12:59:33  
time_end1: 2017-08-14 12:59:33
time_end2: 2017-08-14 12:59:43

結果中的trap_handle_time證明，腳本所在shell進程收到SIGTERM信號後，trap成功進行了處理。如果細心的話，會發現trap處理的時間正好是10秒之後，這並不是因為正好10秒之後才發送SIGTERM信號，而是因為trap就是這麼工作的，這是另一個需要註意的點，稍後見下文的(2)。

再次執行腳本，在另個會話視窗下殺死腳本中正在運行的sleep進程和trap2.sh腳本所在進程。

[root@xuexi ~]# ./trap2.sh
[root@xuexi ~]# killall -s SIGTERM sleep ;sleep 3; killall -s SIGINT trap2.sh  # 另一個會話終端下執行此命令

最終將返回如下結果：

time_start: 2017-08-14 12:23:06
Terminated                        # 接收到對sleep發送的SIGTERM信號
time_end1: 2017-08-14 12:23:09    # 沒有trap_handle_time，陷阱沒有守護sleep進程
trap_handle_time: 2017-08-14 12:23:19   # shell進程本身收到了SIGINT信號，並被陷阱處理了
time_end2: 2017-08-14 12:23:19

結果說明腳本中的trap陷阱沒有守護shell內的sleep進程，只守護了shell本身。同樣也發現了，雖然是在3秒後發送INT信號給腳本進程，但陷阱同樣是在10秒之後才開始處理的。

再修改腳本中的陷阱為信號忽略陷阱。

[root@xuexi ~]# cat ./trap3.sh
#!/bin/bash
# script_name: trap3.sh
#
trap '' SIGINT SIGTERM
echo time_start: $(date +"%F %T")
sleep 10
echo time_end1: $(date +"%F %T")
sleep 10
echo time_end2: $(date +"%F %T")

執行trap3.sh，併在另一個會話終端下殺死sleep進程。

[root@xuexi ~]# ./trap3.sh
[root@xuexi ~]# killall -s SIGTERM sleep;sleep 3;killall -s SIGINT sleep   # 另一個會話終端下執行此命令

結果如下。從時間差可以看出，無論是SIGTERM還是SIGINT信號，sleep進程都被忽略型trap守護了。

time_start: 2017-08-14 12:31:54
time_end1: 2017-08-14 12:32:04
time_end2: 2017-08-14 12:32:14

(2).如果shell中針對某信號設置了陷阱，則該shell進程接收到該信號時，會等待其內正在運行的命令結束才開始處理陷阱。

其實(1)中的幾個示例的結果已經證明瞭這一點。只要是向shell進程發送的信號，都會等待當前正在運行的命令結束後才處理信號，然後繼續腳本向下運行。

(3).CTRL+C和SIGINT不是等價的。當某一時刻按下CTRL+C，它是在向整個當前運行的進程組發送SIGINT信號。對shell腳本來說，SIGINT不僅發送給shell腳本進程，還發送給腳本中當前正在運行的進程。

所以，如果shell中設置SIGINT陷阱，不僅會終止腳本中當前正在運行的進程，trap還會立即進行對應的處理。

以下麵的腳本trap4.sh為例。

[root@xuexi ~]# cat trap4.sh
#!/bin/bash
# script_name: trap4.sh
#
trap 'echo trap_handle_time: $(date +"%F %T")' SIGINT
echo time_start: $(date +"%F %T")
sleep 10
echo time_end1: $(date +"%F %T")
sleep 10
echo time_end2: $(date +"%F %T")

如果使用kill命令向trap4.sh發送信號，正常情況下trap會在當前運行的sleep進程完成後才進行相關處理。但如果是按下CTRL+C，先看結果。

[root@xuexi ~]# ./trap4.sh
time_start: 2017-08-14 13:41:30
^Ctrap_handle_time: 2017-08-14 13:41:31
time_end1: 2017-08-14 13:41:31
^Ctrap_handle_time: 2017-08-14 13:41:32
time_end2: 2017-08-14 13:41:32

結果中顯示，兩次按下CTRL+C後，不僅sleep立刻結束了，trap也立即進行處理了。這說明CTRL+C不僅讓腳本進程收到了SIGINT信號，也讓當前正在運行的進程收到了SIGINT信號。

需要特別說明的是，如果當前正在運行的進程處在迴圈內，當該進程收到了終止進程後，僅僅只是立即終止當次進程，而不會終止整個迴圈，也就是說，它還會繼續向下執行後續命令併進入下一個迴圈。如果此時是使用CTRL+C發送SIGINT，則每次CTRL+C時，trap也會一次次進行處理。

註意點(1)(2)(3)很重要，因為搞清楚了它們，才能明白腳本中當前正在運行的進程是先完成還是立即結束，這在寫複雜腳本或任務型腳本極其重要。例如大量文檔中www.example.com需要替換成www.example.net，假如使用sed進行處理，我們肯定不希望替換了一部分文件的時候被臨時終止。

(4).每個陷阱都有守護範圍。每一個陷阱只將守護它後面的所有進程，直到遇到下一個相同信號的陷阱。

以shell腳本為例，如下圖所示。

(5).當shell環境下設置了信號忽略陷阱時，子shell在啟動時將繼承該陷阱，且這些信號忽略陷阱不可再改變或重置。信號忽略陷阱是子shell唯一繼承的陷阱類型。

先在當前shell環境下設置一個忽略SIGINT的陷阱，和一個不忽略SIGTERM的陷阱。

[root@xuexi ~]# trap '' SIGINT
[root@xuexi ~]# trap 'echo haha' SIGTERM

以下是測試腳本。腳本中首先輸出腳本剛啟動時的最初陷阱列表，隨後修改陷阱並輸出新的陷阱列表，最後重置陷阱並輸出重置後的陷阱列表。

[root@xuexi ~]# cat trap6.sh
#!/bin/bash
# script_name: trap6.sh
echo old_trap:--------
trap -p
trap 'echo haha' SIGINT SIGTERM
echo new_trap:--------
trap -p
echo "reset trap:------"
trap - SIGINT SIGTERM
trap -p

執行結果如下。

[root@xuexi ~]# ./trap6.sh    
old_trap:--------
trap -- '' SIGINT
new_trap:--------
trap -- '' SIGINT
trap -- 'echo haha' SIGTERM
reset trap:------
trap -- '' SIGINT

從結果中可以看出，啟動腳本時，父shell中忽略SIGINT的陷阱被繼承了，但不忽略信號的陷阱未被繼承。而且腳本繼承的信號忽略陷阱無法被修改和重置。

(6).互動式的shell下，如果沒有定義任何SIGTERM信號的陷阱，則會忽略該信號。

所以，在預設(未定義SIGTERM陷阱)時，無法直接通過15信號殺死當前bash進程。

[root@xuexi ~]# kill $BASHPID;echo passed;kill -9 $BASHPID
passed
           # 此處當前bash已被kill -9強制殺死

(7).除了kill -l或trap -l列出的信號列表，trap還有4種特殊的信號：EXIT(或信號代碼0)、ERR、DEBUG和RETURN。DEBUG和RETURN這兩種信號陷阱無需關註。

EXIT信號也是0信號，當設置了EXIT陷阱時，每次exit的時候都會被捕捉，並做相關處理。

ERR陷阱是在設置了"set -e"時生效的，當設置了"set -e"選項，每次遇到非0退出狀態碼時會退出當前shell，如果寫在腳本中，就是退出腳本。有了它就不用再在腳本中書寫對"$?"是否(不)等於0的判斷語句，不過它主要用於避免腳本中產生錯誤時，錯誤被滾雪球式的不斷放大。很多人將這一設置當作寫shell腳本的一項行為規範，但我個人不完全認同，很多時候非0退出狀態碼是無關緊要的，甚至有時候非0狀態碼才是繼續執行的必要條件。

回到話題上。先看看"set -e"的效果。以下麵的腳本為例，在腳本中，mv命令少給了一個參數，它是錯誤命令，返回的是非0狀態碼。

[root@xuexi ~]# vim trap8.sh
#!/bin/bash
set -e
echo "right here"
mv ~/a.txt
[ "$?" -eq 0 ] && echo "right again" || echo "wrong here"

如果不設置"set -e"，那麼會被下一條語句判斷，但因為設置了"set -e"，使得在mv錯誤發生時，就立即退出腳本所在的shell。也就是說，對"$?"的判斷語句根本就是多餘的。結果如下。

[root@xuexi ~]# ./trap8.sh
right here
mv: missing destination file operand after ‘/root/a.txt’
Try 'mv --help' for more information.

可以設置ERR陷阱，專門捕獲"set -e"起作用時的信號。例如，當命令錯誤時，做一些臨時文件清理動作等。註意，當捕獲到了ERR信號時，腳本不會再繼續向下運行，而是trap處理結束後就立即退出。例如：

[root@xuexi ~]# vim trap8.sh
#!/bin/bash
set -e
trap 'echo continue' ERR
echo "right here"
mv ~/a.txt
[ "$?" -eq 0 ] && echo "right again" || echo "wrong here"
echo haha

執行結果如下：

[root@xuexi ~]# ./trap8.sh 
right here
mv: missing destination file operand after ‘/root/a.txt’
Try 'mv --help' for more information.
continue

(8).在trap中兩個很好用的變數：BASH_COMMAND和LINENO。BASH_COMMAND變數記錄的是當前正在執行的命令行，如果是用在陷阱中，則記錄的是陷阱觸發時正在運行的命令行。LINENO記錄的是正在執行的命令所處行號。

例如：

[root@xuexi ~]# vim trap8.sh
#!/bin/bash
set -e
trap 'echo "error line: $LINENO,error cmd: $BASH_COMMAND"' ERR
echo "right here"
mv ~/a.txt

執行結果。

[root@xuexi ~]# ./trap8.sh  
right here
mv: missing destination file operand after ‘/root/a.txt’
Try 'mv --help' for more information.
error line: 5,error cmd: mv ~/a.txt

(9).處理腳本中啟動的後臺進程。

通常trap在腳本中的作用之一是在突然被中斷時清理一些臨時文件然後退出，雖然它會等待腳本中當前正在運行的命令結束，然後清理並退出。但是，很多時候會在腳本中使用後臺進程，以加快腳本的速度。而後臺進程是獨立掛靠在init/systemd下的，所以它不受終端以及shell環境的影響。換句話說，當腳本突然被中斷時，即使陷阱捕獲到了該信號，並清理了臨時文件後退出，但是那些腳本中啟動的後臺進程還會繼續運行。

這就給腳本帶來了一些不可預測性，一個健壯的腳本必須能夠正確處理這種情況。trap可以實現比較好的解決這種問題，方法是在trap的命令行中加上向後臺進程發送信號的語句，然後再退出。

以下麵的腳本為例。

[root@xuexi ~]# vim trap10.sh
#!/bin/bash
trap 'echo first trap $(date +"%F %T");exit' SIGTERM
echo first sleep $(date +"%F %T")
sleep 20 &
echo second sleep $(date +"%F %T")
sleep 5

該腳本中首先將一個sleep放入後臺運行。正常情況下，該腳本執行5秒後就會退出，但在20秒後後臺進程sleep才會結束，即使突然發送中斷信號TERM觸發trap也一樣。

於是現在的目標是，在sleep 5的過程中突然中斷腳本時，能殺死後臺sleep進程。可以使用"!"這個特殊變數。修改後的腳本如下。

[root@xuexi ~]# vim trap10.sh
#!/bin/bash
trap 'echo first trap $(date +"%F %T");kill $pid;exit' SIGTERM
echo first sleep $(date +"%F %T")
sleep 20 &
pid="$!"
sleep 30 &
pid="$! $pid"
echo second sleep $(date +"%F %T")
sleep 5

執行該腳本，併在另一個會話視窗發送SIGTERM信號給該腳本進程。

[root@xuexi ~]# ./trap10.sh ; ps aux | grep sleep       
[root@xuexi ~]# kill trap10.sh    # 另一個會話視窗執行

執行結果如下。可見sleep被正常終止。

first sleep 2017-08-14 21:29:19
second sleep 2017-08-14 21:29:19
first trap 2017-08-14 21:29:24
root      69096  0.0  0.0 112644   952 pts/0    S+   21:29   0:00 grep --color=auto sleep

 

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