return -1 和 255

環境

• 系統：macOS M1

• Shell：Zsh

• 編譯器：clang++ 13.1.6

return -1 和 255

一個簡單的 C++ 小程序：

int main() { return -1; }

編譯執行後，查看程序的退出碼爲 255：

❯ echo $?
255

爲什麼程序裏返回的是 -1，但是系統中查看的退出碼卻是 255 呢？

分析

我們知道如果是非零的退出碼，表示命令執行失敗，嘗試更多的情況：

Return	Exit Code
-1	255
-2	254
-10	246
1	1

基於此，我們先做一些猜測：

1. 退出碼可能是一個 unsigned 的類型，長度可能是 1 個字節。

2. 上述情況中，-1 和 255, -2 和 254，以及 -10 和 246 之間應該存在某種規律，可能是一種強制類型轉換。

針對以上猜測，我們需要進一步瞭解負數在內存中是如何存儲的。

負數的表示

在計算機中，數值統一使用補碼來表示和存儲。其中，正數的補碼和其原碼相同，負數的補碼是將其原碼除符號位外，其餘取反後加 1。

以 -1 爲例，假設它爲 signed char 類型，那麼它的原碼爲 1000 0001，補碼爲 1111 1111，如果將其強制轉換爲 unsigned char 類型，它的十進制表示的就是 255。

其它情況的轉換結果如下：

signed char	原碼	補碼	unsigned char
-1	1000 0001	1111 1111	255
-2	1000 0010	1111 1110	254
-10	1000 1010	1111 0110	246
1	0000 0001	0000 0001	1

我們也可以使用程序計算上述結果，以 Python 爲例：

>>> 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

簡單來說，當我們在 Shell 中執行上述編譯後的二進制可執行文件時，Shell 會先 fork 出一個子進程，然後在子進程中執行命令，命令的退出狀態會再被父進程（Shell）收集。

不包含 Shell 的內建命令，如 cd、alias 等，這些內建命令不會創建子進程。

收集命令結果

Shell 本質上也是一個程序，可以通過 C 語言庫函數中的 wait() 方法收集子進程返回的結果。

pid_t   wait(int *status)

其中，status 的主要字段結構如下：

15        8        7        6       0
+-----------------------------------+
|  退出碼  | core dump 標識位 |  信號  |
+-----------------------------------+

一般而言，程序退出的方式有兩種：

1. 程序正常結束，例如：return 或者 exit 等；

2. 程序異常終止，例如：CTRL + C 或者 kill 等；

我們可以通過一些程序對上述兩種情況做一些測試。

1. 程序正常結束：

#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); /* 子進程退出 */
  } else {
    wait(&status); /* 收集子進程的狀態 */
  }

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

  return 0;
}

編譯執行上述程序：

Child exit code: 246

這裏我們使用了宏函數 WEXITSTATUS 來獲取退出碼，在我的系統中，它的實際含義爲：

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

2. 程序異常終止：

#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 (;;) /*死循環*/
      ;
  } else {
    kill(c_pid, SIGKILL);

    wait(&status);
  }

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

  return 0;
}

編譯執行上述程序：

Child exit signal: 9

這裏我們向子進程發送 SIGKILL 信號，殺死進程，和 kill -9 命令的效果相似。並且，可以通過 WTERMSIG 宏函數解析出導致進程終止的信號值。

俗成的約定

類似 HTTP 服務中的 404、501 這樣的狀態碼，針對 Shell 中命令的退出碼也有一些默認俗成的約定：

Exit Code Number	Meaning	Example	Comments
1	Catchall for general errors	var1 = 1/0	Miscellaneous errors, such as "divide by zero" and other impermissible operations
126	Command invoked cannot execute	/dev/null	Permission problem or command is not an executable
127	"command not found"	illegal_command	Possible problem with $PATH or a typo
128	Invalid argument to exit	exit 3.14159	exit takes only integer args in the range 0 - 255 (see first footnote)
128+n	Fatal error signal "n"	kill -9 $PPID of script	$? returns 137 (128 + 9)
130	Script terminated by Control-C	Ctl-C	Control-C is fatal error signal 2, (130 = 128 + 2, see above)
255*	Exit status out of range	exit -1	exit takes only integer args in the range 0 - 255