return -1 和 255

环境

• 系统：macOS M1

• Shell：Zsh

• 编译器：clang++ 13.1.6

return -1 和 255

一个简单的 C++ 小程序：

int main() { return -1; }

编译执行后，查看程序的退出码为 255：

❯ echo $?
255

为什么程序里返回的是 -1，但是系统中查看的退出码却是 255 呢？

分析

我们知道如果是非零的退出码，表示命令执行失败，尝试更多的情况：

基于此，我们先做一些猜测：

1. 退出码可能是一个 unsigned 的类型，长度可能是 1 个字节。

2. 上述情况中，-1 和 255, -2 和 254，以及 -10 和 246 之间应该存在某种规律，可能是一种强制类型转换。

针对以上猜测，我们需要进一步了解负数在内存中是如何存储的。

负数的表示

在计算机中，数值统一使用补码来表示和存储。其中，正数的补码和其原码相同，负数的补码是将其原码除符号位外，其余取反后加 1。

以 -1 为例，假设它为 signed char 类型，那么它的原码为 1000 0001，补码为 1111 1111，如果将其强制转换为 unsigned char 类型，它的十进制表示的就是 255。

其它情况的转换结果如下：

我们也可以使用程序计算上述结果，以 Python 为例：

>>> import array
>>> arr = array.array("b", [-1, -2, -10, 1])
>>> arr_v = memoryview(arr)
>>> arr_v.cast("B").tolist()
[255, 254, 246, 1]

fork 和 exec

简单来说，当我们在 Shell 中执行上述编译后的二进制可执行文件时，Shell 会先 fork 出一个子进程，然后在子进程中执行命令，命令的退出状态会再被父进程（Shell）收集。

不包含 Shell 的内建命令，如 cd、alias 等，这些内建命令不会创建子进程。

收集命令结果

Shell 本质上也是一个程序，可以通过 C 语言库函数中的 wait() 方法收集子进程返回的结果。

pid_t   wait(int *status)

其中，status 的主要字段结构如下：

15        8        7        6       0
+-----------------------------------+
|  退出码  | core dump 标识位 |  信号  |
+-----------------------------------+

一般而言，程序退出的方式有两种：

1. 程序正常结束，例如：return 或者 exit 等；

2. 程序异常终止，例如：CTRL + C 或者 kill 等；

我们可以通过一些程序对上述两种情况做一些测试。

1. 程序正常结束：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/wait.h>
#include <unistd.h>

int main() {
  pid_t c_pid;
  int status;

  c_pid = fork();
  if (c_pid == 0) {
    exit(-10); /* 子进程退出 */
  } else {
    wait(&status); /* 收集子进程的状态 */
  }

  printf("Child exit code: %d\n", WEXITSTATUS(status));

  return 0;
}

编译执行上述程序：

Child exit code: 246

这里我们使用了宏函数 WEXITSTATUS 来获取退出码，在我的系统中，它的实际含义为：

#define _W_INT(w)       (*(int *)&(w))
#define WEXITSTATUS(x)  ((_W_INT(x) >> 8) & 0x000000ff)

2. 程序异常终止：

#include <signal.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/wait.h>
#include <unistd.h>

int main() {
  pid_t c_pid;
  int status;

  c_pid = fork();
  if (c_pid == 0) {
    for (;;) /*死循环*/
      ;
  } else {
    kill(c_pid, SIGKILL);

    wait(&status);
  }

  printf("Child exit signal: %d\n", WTERMSIG(status));

  return 0;
}

编译执行上述程序：

Child exit signal: 9

这里我们向子进程发送 SIGKILL 信号，杀死进程，和 kill -9 命令的效果相似。并且，可以通过 WTERMSIG 宏函数解析出导致进程终止的信号值。

俗成的约定

类似 HTTP 服务中的 404、501 这样的状态码，针对 Shell 中命令的退出码也有一些默认俗成的约定：