run command in os

操作系统下运行命令分析

shell 下执行外部命令

运行命令最简便的办法就是将命令所在目录加入 PATH 环境变量, 然后在命令行 shell 下输入执行. 外部程序在 shell 下叫做外部命令. 外部命令分为二进制可执行文件 (以下简称二进制) 和脚本两种. windows 下是 "cmd" 命令解释器, linux 下通常是 "bash" shell. 两者语法和功能差异很大, 但执行命令的基本方式是相似的.

执行脚本时大概流程如下:

命令行输入是一个字符串列表, 第一个元素是命令名.
根据命令名找到命令文件, 这时会搜索 PATH.
找到命令脚本文件对应的解释器.
运行解释器执行脚本.

执行二进制文件时前两步是一样的，第三步相对简单一点, 直接运行二进制文件.

以二进制文件 java 和脚本 mvn 为例.

linux bash 下执行结果:

observer.hany@ali-59375nm:~$ java -version
java version "1.7.0_40"
Java(TM) SE Runtime Environment (build 1.7.0_40-b43)
Java HotSpot(TM) Server VM (build 24.0-b56, mixed mode)

observer.hany@ali-59375nm:~$ mvn -version
Apache Maven 3.0.5 (r01de14724cdef164cd33c7c8c2fe155faf9602da; 2013-02-19 21:51:28+0800)
Maven home: /opt/apache-maven-3.0.5
Java version: 1.7.0_40, vendor: Oracle Corporation
Java home: /opt/jdk1.7.0_40/jre
Default locale: zh_CN, platform encoding: UTF-8
OS name: "linux", version: "3.5.0-45-generic", arch: "i386", family: "unix"

windows cmd 下执行结果:

C:\Documents and Settings\observer.hany>java -version
java version "1.6.0_45"
Java(TM) SE Runtime Environment (build 1.6.0_45-b06)
Java HotSpot(TM) Client VM (build 20.45-b01, mixed mode, sharing)

C:\Documents and Settings\observer.hany>mvn -version
Apache Maven 2.2.1 (r801777; 2009-08-07 03:16:01+0800)
Java version: 1.6.0_45
Java home: D:\opt\jdk1.6.0_45\jre
Default locale: zh_CN, platform encoding: GBK
OS name: "windows xp" version: "5.1" arch: "x86" Family: "windows"

程序代码执行外部命令

python 中可以使用 subprocess.call() 函数实现相同的功能. 运行二进制文件命令时没有问题.

linux 下执行结果:

>>> import subprocess
>>> subprocess.call(["java", "-version"])
java version "1.7.0_40"
Java(TM) SE Runtime Environment (build 1.7.0_40-b43)
Java HotSpot(TM) Server VM (build 24.0-b56, mixed mode)
0

windows 下执行结果:

>>> import subprocess
>>> subprocess.call(["java", "-version"])
java version "1.6.0_45"
Java(TM) SE Runtime Environment (build 1.6.0_45-b06)
Java HotSpot(TM) Client VM (build 20.45-b01, mixed mode, sharing)
0

但执行脚本命令时, 在 linux 下没有问题:

>>> subprocess.call(["mvn", "-version"])
Apache Maven 3.0.5 (r01de14724cdef164cd33c7c8c2fe155faf9602da; 2013-02-19 21:51:28+0800)
Maven home: /opt/apache-maven-3.0.5
Java version: 1.7.0_40, vendor: Oracle Corporation
Java home: /opt/jdk1.7.0_40/jre
Default locale: zh_CN, platform encoding: UTF-8
OS name: "linux", version: "3.5.0-45-generic", arch: "i386", family: "unix"
0

在 windows 下就会有问题:

>>> subprocess.call(["mvn", "-version"])
Traceback (most recent call last):
  File "<stdin>", line 1, in <module>
  File "D:\opt\Python3\App\lib\subprocess.py", line 470, in call
    return Popen(*popenargs, **kwargs).wait()
  File "D:\opt\Python3\App\lib\subprocess.py", line 744, in __init__
    restore_signals, start_new_session)
  File "D:\opt\Python3\App\lib\subprocess.py", line 977, in _execute_child
    startupinfo)
WindowsError: [Error 2] 系统找不到指定的文件。

在底层实现上, linux 运行新进程使用的是 fork() + exec* 系列函数. exec* 系列函数自动实现了找到脚本对应的解释器等操作, 可以直接执行脚本.

如下示例代码 "subprocess_call.c":

#include <unistd.h>

void subprocess_call(char* const argv[]) {
	pid_t pid = fork();
	if (pid > 0) {
		// parent
		int status;
		waitpid(pid, &status, 0);
	} else {
		// child
		execvp(argv[0], argv);
	}
}

int main(int argc, char* argv[]) {
	subprocess_call(argv + 1);
	return 0;
}

运行结果如下:

observer.hany@ali-59375nm:~/tmp$ ./subprocess_call mvn -version
Apache Maven 3.0.5 (r01de14724cdef164cd33c7c8c2fe155faf9602da; 2013-02-19 21:51:28+0800)
Maven home: /opt/apache-maven-3.0.5
Java version: 1.7.0_40, vendor: Oracle Corporation
Java home: /opt/jdk1.7.0_40/jre
Default locale: zh_CN, platform encoding: UTF-8
OS name: "linux", version: "3.5.0-45-generic", arch: "i386", family: "unix"

windows 下运行新进程使用的是 CreateProcess 函数, 函数参数必须指定二进制可执行文件, 不能执行脚本. python subprocess.call() 函数的 executable 参数与 CreateProcess 一致, 如果没有指定 executable, 则从命令行参数第一个 token 查找二进制可执行文件.

java 中可以用 ProcessBuilder 实现类似的功能. 通常子进程会继承父进程的标准输入输出, 与常规行为不同, ProcessBuilder 默认重定向了输入输出, 并且直到 jdk7 才支持设置成继承, java 在这方面的支持是比较差.

示例代码如下:

package test;

import org.apache.commons.exec.PumpStreamHandler;

public class Main {

	public static void main(String[] args) throws Exception {
		ProcessBuilder builder = new ProcessBuilder(args);
		Process process = builder.start();

		PumpStreamHandler streams = new PumpStreamHandler(System.out, System.err, System.in);
		streams.setProcessInputStream(process.getOutputStream());
		streams.setProcessOutputStream(process.getInputStream());
		streams.setProcessErrorStream(process.getErrorStream());
		streams.start();

		process.waitFor();
		streams.stop();
	}

}

windows 上执行结果如下:

D:\home\observer.hany\workspace\test>java -jar target\test.jar java -version
java version "1.6.0_45"
Java(TM) SE Runtime Environment (build 1.6.0_45-b06)
Java HotSpot(TM) Client VM (build 20.45-b01, mixed mode, sharing)

D:\home\observer.hany\workspace\test>java -jar target\test.jar mvn -version
Exception in thread "main" java.io.IOException: Cannot run program "mvn": CreateProcess error=2, ?????????
        at java.lang.ProcessBuilder.start(Unknown Source)
        at test.Main.main(Main.java:9)
Caused by: java.io.IOException: CreateProcess error=2, ?????????
        at java.lang.ProcessImpl.create(Native Method)
        at java.lang.ProcessImpl.<init>(Unknown Source)
        at java.lang.ProcessImpl.start(Unknown Source)
        ... 2 more

windows 和 linux 还有一个差别, linux 将命令行解析成一个字符串列表, 再传递给应用程序. 而 windows 直接将整个命令行输入作为一个字符串传递给应用程序, 应用程序自己完成解析. C 语言规范定义了 main 函数接受一个字符串数组参数, windows 下实际是由应用程序入口函数完成参数解析, 再调用 C 的 main 函数. 应用也可以手动调用解析函数, 解析规则与 cmd 命令行参数的解析规则一致. 有些 windows 程序不按常规方式解析命令行, 而直接使用整个命令行字符串进行操作, 如 echo, explorer, (notepad?). 使用字符串列表传递参数更结构化, 更清晰和方便, 所以 python, java 等语言都使用字符串列表作为进程参数.

为了查看 java 启动外部进程的命令行参数, 增加调试参数使外部进程暂停:

D:\home\observer.hany\workspace\test>java -jar target\test.jar java -Xrunjdwp:transport=dt_socket,server=y,suspend=y,address=8000 -version
Listening for transport dt_socket at address: 8000

使用 procexp 看到进程启动命令行参数为:

"java" -Xrunjdwp:transport=dt_socket,server=y,suspend=y,address=8000 -version

java 的实现应该跟 python 是类似的, 将参数字符串列表转成一个命令行参数, 使用命令名做为命令行的第一个 token. 但java (截止到 jdk6) 不支持设置 executable.

windows 上 ProcessBuilder bug

测试了一下发现 jdk6 在 windows 上将字符串列表转成命令行参数时还有 bug .

如执行 jvm 的命令行如下:

java -jar target\test.jar cmd /c pause "\"a b\""

jvm 调用 windows 解析命令行函数后应该得到以下参数:

["cmd", "/c", "pause", '"a b"']

jvm 使用 ProcessBuilder 启动 cmd 进程时应该再将字符串 '"a b"' 再转义成 cmd 命令行的表示法, 即与启动 jvm 的原命令行等价. 从 procexp 看到 jvm 启动 cmd 的命令行参数是不正确的:

"cmd" /c pause "a b"

而 python 使用 subprocess.call() 完成相同的功能, 可以得到正确的结果.

python.exe -c "import sys, subprocess; subprocess.call(sys.argv[1:])" cmd /c pause "\"a b\""

windows 上调用脚本问题

CreateProcess 函数不支持直接运行脚本, 在 cmd 命令解释器下调用脚本时, 定位命令文件, 查找脚本解释器等这些事都是由 cmd 完成的, 操作系统没有提供完成类似功能的 API. 脚本不只是批处理文件, 还可能有 python, js 等.

开发人员有几种选择: 0. 实现类似 cmd 执行脚本的逻辑.

这样要使用 windows 的一些特性和函数, 代价比较大, 而且不一定完善. 目前看到的一些程序库都没有这样做的.

使用 cmd 间接调用脚本.

文档上有一段说明, 可以使用 cmd /c 执行批处理脚本文件.

To run a batch file, you must start the command interpreter; set lpApplicationName to cmd.exe and set lpCommandLine to the following arguments: /c plus the name of the batch file.

cmd /c 执行命令时的行为跟在 cmd 命令解释器中执行命令一样. 不只是批处理文件, 所有脚本和二进制文件, 都可以用 cmd /c 执行. 所以 cmd /c 可以作为 windows 下调用外部命令的通用方式, 但是这样做也有一些问题.

调用二进制文件和其他脚本增加一个调用层次
GUI 下调用产生一个多余的黑框

使用 cmd /c 执行外部脚本:

D:\home\observer.hany\workspace\test>java -jar target\test.jar cmd /c mvn -version
Apache Maven 2.2.1 (r801777; 2009-08-07 03:16:01+0800)
Java version: 1.6.0_45
Java home: D:\opt\jdk1.6.0_45\jre
Default locale: zh_CN, platform encoding: GBK
OS name: "windows xp" version: "5.1" arch: "x86" Family: "windows"

执行脚本时指定解释器.

即不要直接执行脚本, 总是通过解释器执行脚本. 第一种方案中的自动找解释器变成手动找解释器. 但有时开发人员也不能确定解释器是哪个, 比如 js 解释器是那个?

cmd 有两个作用, 一是作为批处理文件的解释器, 二是找其他脚本的解释器.

windows 下执行命令的几个问题

windows 区分 CLI 程序和 GUI 程序, 解释器也有两个版本, 如 "python" 和 "pythonw", "java" 和 "javaw". 在 GUI 程序下调用 CLI 程序, 如 "cmd", "cmd" 没有 GUI 版本, 会产生一个多余的黑框 (TODO: 重定向输入输出后黑框是否还在 ?).

cmd shell 下启动 GUI 程序直接返回, 但批处理脚本中会等待.

start 新开一个窗口执行命令. GUI 没有命令行窗口, 有无 start 一样, 但是 start /WAIT 可以等待 GUI 程序退出再返回.

cmd 语法, 冒号表示字符串, 冒号内部可以冒号转义冒号, 即冒号内部两个冒号是一个冒号. 冒号内部也可以使用 '\"' 转义冒号, 似乎更清晰点, 避免混淆. cmd 语法功能有限, 无法表达一些特殊参数, 比如 "a > b" 总是导致重定向.

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