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如何用C語言寫一個(gè)簡單的Unix Shell
shell 是允許你與操作系統(tǒng)的核心作交互的一個(gè)界面(interface)。下面是小編為大家?guī)淼年P(guān)于如何用C語言寫一個(gè)簡單的 Unix Shell的知識(shí)，歡迎閱讀。
shell 是什么?
關(guān)于這一點(diǎn)已經(jīng)有很多書面資料，所以對(duì)于它的定義我不會(huì)探討太多細(xì)節(jié)。只用一句話說明：
shell 是允許你與操作系統(tǒng)的核心作交互的一個(gè)界面(interface)。
shell 是怎樣工作的?
shell解析用戶輸入的命令并執(zhí)行它。為了能做到這一點(diǎn)，shell的工作流程看起來像這樣：
啟動(dòng)shell
等待用戶輸入
解析用戶輸入
執(zhí)行命令并返回結(jié)果
回到第 2 步。
但在這整個(gè)流程中有一個(gè)重要的部分：進(jìn)程。shell是父進(jìn)程。這是我們的程序的主線程，它等待用戶輸入。然而，由于以下原因，我們不能在主線程自身中執(zhí)行命令：
一個(gè)錯(cuò)誤的命令會(huì)導(dǎo)致整個(gè)shell停止工作。我們要避免此情況。
獨(dú)立的命令應(yīng)該有他們自己的進(jìn)程塊。這被稱為隔離，屬于容錯(cuò)(機(jī)制)。
Fork
為了能避免此情況，我們使用系統(tǒng)調(diào)用 fork。我曾以為我理解了 fork，直到我用它寫了大約4行代碼(才發(fā)現(xiàn)我沒有理解)。
fork 創(chuàng)建當(dāng)前進(jìn)程的一份拷貝。這份拷貝被稱為“子進(jìn)程”，系統(tǒng)中的每個(gè)進(jìn)程都有與它聯(lián)系在一起的唯一的進(jìn)程 id(pid)。讓我們看以下代碼片段：
fork.c
#include
#include
#include
int
main() {
pid_t child_pid = fork();
// The child process
if (child_pid == 0) {
printf("### Child ###nCurrent PID: %d and Child PID: %dn",
getpid(), child_pid);
} else {
printf("### Parent ###nCurrent PID: %d and Child PID: %dn",
getpid(), child_pid);
}
return 0;
}
fork 系統(tǒng)調(diào)用返回兩次，每個(gè)進(jìn)程一次。這一開始聽起來是反直覺的。但讓我們看一下在底層發(fā)生了什么。
通過調(diào)用 fork，我們在程序中創(chuàng)建了一個(gè)新的分支。這與傳統(tǒng)的 if-else 分支不同。fork 對(duì)當(dāng)前進(jìn)程創(chuàng)建一份拷貝并從中創(chuàng)建了一個(gè)新的進(jìn)程。最終系統(tǒng)調(diào)用返回子進(jìn)程的進(jìn)程 id。
一旦 fork 調(diào)用成功，子進(jìn)程和父進(jìn)程(我們的代碼的主線程)會(huì)同時(shí)運(yùn)行。
fork() 創(chuàng)建了一個(gè)新的子進(jìn)程，但與此同時(shí)，父進(jìn)程的執(zhí)行并沒有停止。子進(jìn)程執(zhí)行的開始和結(jié)束獨(dú)立于父進(jìn)程，反之亦然。
更進(jìn)一步討論以前，先說明一點(diǎn)：getpid 系統(tǒng)調(diào)用返回當(dāng)前的進(jìn)程 id。
如果你編譯并執(zhí)行這段代碼，會(huì)得到類似于下面的輸出：
### Parent ###
Current PID: 85247 and Child PID: 85248
### Child ###
Current PID: 85248 and Child PID: 0
在 ### Parent ### 下面的片段中，當(dāng)前進(jìn)程 ID 是 85247，子進(jìn)程 ID 是 85248。注意，子進(jìn)程的 pid 比父進(jìn)程的大，表明子進(jìn)程是在父進(jìn)程之后創(chuàng)建的。(更新：正如某人在 Hacker News 上正確指出的，這并不是確定的，雖然往往是這樣。原因在于，操作系統(tǒng)可能回收無用的老進(jìn)程 id。)
在 ### Child ### 下面的片段中，當(dāng)前進(jìn)程 ID 是 85248，這與前面片段中子進(jìn)程的 pid 相同。然而，這里的子進(jìn)程 pid 為 0。
實(shí)際的數(shù)字會(huì)隨著每一次執(zhí)行而變化。
你可能在想，我們已經(jīng)在第 9 行明確的給 child_pid 賦了一個(gè)值(譯者注：應(yīng)該是第7行)，那么 child_pid 怎么會(huì)在同一個(gè)執(zhí)行流程中呈現(xiàn)兩個(gè)不同的值，這種想法值得原諒。但是，回想一下，調(diào)用 fork 創(chuàng)建了一個(gè)新進(jìn)程，這個(gè)新進(jìn)程與當(dāng)前進(jìn)程相同。因此，在父進(jìn)程中，child_pid 是剛創(chuàng)建的子進(jìn)程的實(shí)際值，而子進(jìn)程本身沒有自己的子進(jìn)程，所以 child_pid 的值為 0。
因此，為了控制哪些代碼在子進(jìn)程中執(zhí)行，哪些又在父進(jìn)程中執(zhí)行，需要我們在 12 到 16 行定義的 if-else 塊(譯者注：應(yīng)該是 10 到 16 行)。當(dāng) child_pid 為 0 時(shí)，代碼塊將在子進(jìn)程下執(zhí)行，而 else 塊卻會(huì)在父進(jìn)程下執(zhí)行。這些塊被執(zhí)行的順序是不確定的，取決于操作系統(tǒng)的調(diào)度程序。
引入確定性
讓我向你介紹系統(tǒng)調(diào)用 sleep。引用 linux man 頁面的話：
sleep – 暫停執(zhí)行一段時(shí)間
時(shí)間間隔以秒為單位。
讓我們給父進(jìn)程，即我們代碼中的 else 塊，加一個(gè) sleep(1) 調(diào)用：
sleep_parent.c
#include
#include
#include
int
main() {
pid_t child_pid = fork();
// The child process
if (child_pid == 0) {
printf("### Child ###nCurrent PID: %d and Child PID: %dn",
getpid(), child_pid);
} else {
sleep(1); // Sleep for one second
printf("### Parent ###nCurrent PID: %d and Child PID: %dn",
getpid(), child_pid);
}
return 0;
}
當(dāng)你執(zhí)行這段代碼時(shí)，輸出將類似這樣：
### Child ###
Current PID: 89743 and Child PID: 0
1秒鐘以后，你將看到
### Parent ###
Current PID: 89742 and Child PID: 89743
每次執(zhí)行這段代碼時(shí)你會(huì)看到同樣的表現(xiàn)。這是因?yàn)椋何覀冊诟高M(jìn)程中做了一個(gè)阻塞性的 sleep 調(diào)用，與此同時(shí)，操作系統(tǒng)調(diào)度程序發(fā)現(xiàn)有空閑的 CPU 時(shí)間可以給子進(jìn)程執(zhí)行。
類似的，如果你反過來，把 sleep(1) 調(diào)用加到子進(jìn)程，也就是我們代碼中的 if 塊里面，你會(huì)發(fā)現(xiàn)父進(jìn)程塊立刻輸出到控制臺(tái)上。但你也會(huì)發(fā)現(xiàn)程序終止了。子進(jìn)程塊的輸出被轉(zhuǎn)存到標(biāo)準(zhǔn)輸出�？雌饋硎沁@樣：
$ gcc -lreadline blog/sleep_child.c -o sleep_child && ./sleep_child
### Parent ###
Current PID: 23011 and Child PID: 23012
$ ### Child ###
Current PID: 23012 and Child PID: 0
這段源代碼可在 sleep_child.c 獲取。
這是因?yàn)楦高M(jìn)程在 printf 語句之后無事可做，被終止了。然而，子進(jìn)程在 sleep 調(diào)用處被阻塞了 1 秒鐘，之后才執(zhí)行 printf 語句。
正確實(shí)現(xiàn)的確定性
然而，使用 sleep 來控制進(jìn)程的執(zhí)行流程不是最好的方法，因?yàn)槟阕隽艘粋�(gè) n 秒的 sleep 調(diào)用：
你怎么確保不管你等待的是什么，都會(huì)在 n 秒內(nèi)完成執(zhí)行呢?
不管你等待的是什么，要是它在遠(yuǎn)遠(yuǎn)早于 n 秒時(shí)就結(jié)束了呢?在此情況下你不必要地閑置了。
有一種更好的方法是，使用 wait 系統(tǒng)調(diào)用(或一種變體)來代替。我們將使用 waitpid 系統(tǒng)調(diào)用。它帶有以下參數(shù)：
你想要程序等待的進(jìn)程的進(jìn)程 ID。
一個(gè)變量，用來保存進(jìn)程如何終止的相關(guān)信息。
選項(xiàng)標(biāo)志，用來定制 waitpid 的行為
wait.c
#include
#include
#include
#include
int
main() {
pid_t child_pid;
pid_t wait_result;
int stat_loc;
child_pid = fork();
// The child process
if (child_pid == 0) {
printf("### Child ###nCurrent PID: %d and Child PID: %dn",
getpid(), child_pid);
sleep(1); // Sleep for one second
} else {
wait_result = waitpid(child_pid, &stat_loc, WUNTRACED);
printf("### Parent ###nCurrent PID: %d and Child PID: %dn",
getpid(), child_pid);
}
return 0;
}
當(dāng)你執(zhí)行這段代碼，你會(huì)發(fā)現(xiàn)子進(jìn)程塊立刻被打印，然后等待很短的一段時(shí)間(這里我們在 printf 后面加了 sleep)。父進(jìn)程等待子進(jìn)程執(zhí)行結(jié)束，之后就有空?qǐng)?zhí)行它自己的命令。
這里將介紹 exec 函數(shù)家族。即以下函數(shù)：
execl
execv
execle
execve
execlp
execvp
為了滿足需要，我們將使用 execvp，它的簽名看起來像這樣：
int execvp(const char *file, char *const argv[]);
函數(shù)名中的 vp 表明：它接受一個(gè)文件名，將在系統(tǒng) $PATH 變量中搜索此文件名，它還接受將要執(zhí)行的一組參數(shù)。
你可以閱讀 exec 的 man 頁面 以得到其它函數(shù)的更多信息。
讓我們看一下以下代碼，它執(zhí)行命令 ls -l -h -a：
execvp.c
#include
int main() {
char *argv[] = {"ls", "-l", "-h", "-a", NULL};
execvp(argv[0], argv);
return 0;
}
關(guān)于 execvp 函數(shù)，有幾點(diǎn)需要注意：
第一個(gè)參數(shù)是命令名。
第二個(gè)參數(shù)由命令名和傳遞給命令自身的參數(shù)組成。并且它必須以 NULL 結(jié)束。
它將當(dāng)前進(jìn)程的映像交換為被執(zhí)行的命令的映像，后面再展開說明。
如果你編譯并執(zhí)行上面的代碼，你會(huì)看到類似于下面的輸出：
total 32
drwxr-xr-x 5 dhanush staff 170B Jun 11 11:32 .
drwxr-xr-x 4 dhanush staff 136B Jun 11 11:30 ..
-rwxr-xr-x 1 dhanush staff 8.7K Jun 11 11:32 a.out
drwxr-xr-x 3 dhanush staff 102B Jun 11 11:32 a.out.dSYM
-rw-r--r-- 1 dhanush staff 130B Jun 11 11:32
它和你在你的主 shell 中手動(dòng)執(zhí)行l(wèi)s -l -h -a的結(jié)果完全相同。
既然我們能執(zhí)行命令了，我們需要使用在第一部分中學(xué)到的fork 系統(tǒng)調(diào)用構(gòu)建有用的東西。事實(shí)上我們要做到以下這些：
當(dāng)用戶輸入時(shí)接受命令。
調(diào)用 fork 以創(chuàng)建一個(gè)子進(jìn)程。
在子進(jìn)程中執(zhí)行命令，同時(shí)父進(jìn)程等待命令完成。
回到第一步。
我們看看下面的函數(shù)，它接收一個(gè)字符串作為輸入。我們使用庫函數(shù) strtok 以空格分割該字符串，然后返回一個(gè)字符串?dāng)?shù)組，數(shù)組也用 NULL來終結(jié)。
include
#include
char **get_input(char *input) {
char **command = malloc(8 * sizeof(char *));
char *separator = " ";
char *parsed;
int index = 0;
parsed = strtok(input, separator);
while (parsed != NULL) {
command[index] = parsed;
index++;
parsed = strtok(NULL, separator);
}
command[index] = NULL;
return command;
}
如果該函數(shù)的輸入是字符串 “l(fā)s -l -h -a”，那么函數(shù)將會(huì)創(chuàng)建這樣形式的一個(gè)數(shù)組：[“l(fā)s”, “-l”, “-h”, “-a”, NULL]，并且返回指向此隊(duì)列的指針。
現(xiàn)在，我們在主函數(shù)中調(diào)用 readline 來讀取用戶的輸入，并將它傳給我們剛剛在上面定義的 get_input。一旦輸入被解析，我們在子進(jìn)程中調(diào)用 fork 和 execvp。在研究代碼以前，看一下下面的圖片，先理解 execvp 的含義：
當(dāng) fork 命令完成后，子進(jìn)程是父進(jìn)程的一份精確的拷貝。然而，當(dāng)我們調(diào)用 execvp 時(shí)，它將當(dāng)前程序替換為在參數(shù)中傳遞給它的程序。這意味著，雖然進(jìn)程的當(dāng)前文本、數(shù)據(jù)、堆棧段被替換了，進(jìn)程 id 仍保持不變，但程序完全被覆蓋了。如果調(diào)用成功了，那么 execvp 將不會(huì)返回，并且子進(jìn)程中在這之后的任何代碼都不會(huì)被執(zhí)行。這里是主函數(shù)：
#include
#include
#include
#include
#include
#include
int main() {
char **command;
char *input;
pid_t child_pid;
int stat_loc;
while (1) {
input = readline("unixsh> ");
command = get_input(input);
child_pid = fork();
if (child_pid == 0) {
/* Never returns if the call is successful */
execvp(command[0], command);
printf("This won't be printed if execvp is successuln");
} else {
waitpid(child_pid, &stat_loc, WUNTRACED);
}
free(input);
free(command);
}
return 0;
}
全部代碼可在此處的單個(gè)文件中獲取。如果你用 gcc -g -lreadline shell.c 編譯它，并執(zhí)行二進(jìn)制文件，你會(huì)得到一個(gè)最小的可工作 shell，你可以用它來運(yùn)行系統(tǒng)命令，比如 pwd 和 ls -lha：
unixsh> pwd
/Users/dhanush/github.com/indradhanush.github.io/code/shell-part-2
unixsh> ls -lha
total 28K
drwxr-xr-x 6 root root 204 Jun 11 18:27 .
drwxr-xr-x 3 root root 4.0K Jun 11 16:50 ..
-rwxr-xr-x 1 root root 16K Jun 11 18:27 a.out
drwxr-xr-x 3 root root 102 Jun 11 15:32 a.out.dSYM
-rw-r--r-- 1 root root 130 Jun 11 15:38 execvp.c
-rw-r--r-- 1 root root 997 Jun 11 18:25 shell.c
unixsh>
注意：fork 只有在用戶輸入命令后才被調(diào)用，這意味著接受用戶輸入的用戶提示符是父進(jìn)程。
錯(cuò)誤處理
到目前為止，我們一直假設(shè)我們的命令總會(huì)完美的運(yùn)行，還沒有處理錯(cuò)誤。所以我們要對(duì) shell.c做一點(diǎn)改動(dòng)：
fork – 如果操作系統(tǒng)內(nèi)存耗盡或是進(jìn)程數(shù)量已經(jīng)到了允許的最大值，子進(jìn)程就無法創(chuàng)建，會(huì)返回 -1。我們在代碼里加上以下內(nèi)容：
...
while (1) {
input = readline("unixsh> ");
command = get_input(input);
child_pid = fork();
if (child_pid < 0) {
perror("Fork failed");
exit(1);
}
...
execvp – 就像上面解釋過的，被成功調(diào)用后它不會(huì)返回。然而，如果執(zhí)行失敗它會(huì)返回 -1。同樣地，我們修改 execvp 調(diào)用：
...
if (execvp(command[0], command) < 0) {
perror(command[0]);
exit(1);
}
...
注意：雖然fork之后的exit調(diào)用終止整個(gè)程序，但execvp之后的exit 調(diào)用只會(huì)終止子進(jìn)程，因?yàn)檫@段代碼只屬于子進(jìn)程。
malloc – It can fail if the OS runs out of memory. We should exit the program in such a scenario:
malloc – 如果操作系統(tǒng)內(nèi)存耗盡，它就會(huì)失敗。在這種情況下，我們應(yīng)該退出程序：
char **get_input(char *input) {
char **command = malloc(8 * sizeof(char *));
if (command == NULL) {
perror("malloc failed");
exit(1);
}
...
動(dòng)態(tài)內(nèi)存分配 – 目前我們的命令緩沖區(qū)只分配了8個(gè)塊。如果我們輸入的命令超過8個(gè)單詞，命令就無法像預(yù)期的那樣工作。這么做是為了讓例子便于理解，如何解決這個(gè)問題留給讀者作為一個(gè)練習(xí)。
上面帶有錯(cuò)誤處理的代碼可在這里獲取。
內(nèi)建命令
如果你試著執(zhí)行 cd 命令，你會(huì)得到這樣的錯(cuò)誤：
cd: No such file or directory
我們的 shell 現(xiàn)在還不能識(shí)別cd命令。這背后的原因是：cd不是ls或pwd這樣的系統(tǒng)程序。讓我們后退一步，暫時(shí)假設(shè)cd 也是一個(gè)系統(tǒng)程序。你認(rèn)為執(zhí)行流程會(huì)是什么樣?在繼續(xù)閱讀之前，你可能想要思考一下。
流程是這樣的：
用戶輸入 cd /。
shell對(duì)當(dāng)前進(jìn)程作 fork，并在子進(jìn)程中執(zhí)行命令。
在成功調(diào)用后，子進(jìn)程退出，控制權(quán)還給父進(jìn)程。
父進(jìn)程的當(dāng)前工作目錄沒有改變，因?yàn)槊钍窃谧舆M(jìn)程中執(zhí)行的。因此，cd 命令雖然成功了，但并沒有產(chǎn)生我們想要的結(jié)果。
因此，要支持 cd，我們必須自己實(shí)現(xiàn)它。我們也需要確保，如果用戶輸入的命令是 cd(或?qū)儆陬A(yù)定義的內(nèi)建命令)，我們根本不要 fork 進(jìn)程。相反地，我們將執(zhí)行我們對(duì) cd(或任何其它內(nèi)建命令)的實(shí)現(xiàn)，并繼續(xù)等待用戶的下一次輸入。，幸運(yùn)的是我們可以利用 chdir 函數(shù)調(diào)用，它用起來很簡單。它接受路徑作為參數(shù)，如果成功則返回0，失敗則返回 -1。我們定義函數(shù)：
int cd(char *path) {
return chdir(path);
}
并且在我們的主函數(shù)中為它加入一個(gè)檢查：
while (1) {
input = readline("unixsh> ");
command = get_input(input);
if (strcmp(command[0], "cd") == 0) {
if (cd(command[1]) < 0) {
perror(command[1]);
}
/* Skip the fork */
continue;
}
...
帶有以上更改的代碼可從這里獲取，如果你編譯并執(zhí)行它，你將能運(yùn)行 cd 命令。這里是一個(gè)示例輸出：
unixsh> pwd
/Users/dhanush/github.com/indradhanush.github.io/code/shell-part-2
unixsh> cd /
unixsh> pwd
/
unixsh>
第二部分到此結(jié)束。這篇博客帖文中的所有代碼示例可在這里獲取。在下一篇博客帖文中，我們將探討信號(hào)的主題以及實(shí)現(xiàn)對(duì)用戶中斷(Ctrl-C)的處理。敬請(qǐng)期待。
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