操作系统的第一个大作业是做一个简单的Shell，实现重定向、管道等功能。奋战了好几天终于基本搞定了= =

基本要求

Shell能够解析的命令行法如下：

带参数的程序运行功能。

program arg1 arg2 … argN

重定向功能，将文件作为程序的输入/输出。
“>”表示覆盖写

program arg1 arg2 … argN > output-file

“>>”表示追加写

program arg1 arg2 … argN >> output-file

“<”表示文件输入

program arg1 arg2 … argN < input-file

管道符号“|”，在程序间传递数据(最后也可用重定向符号)

programA arg1 … argN | programB arg1 … argN | programC …

后台符号& ,表示此命令将以后台运行的方式执行

program arg1 arg2 … argN &

工作路径移动命令cd

Shell退出命令exit

history显示开始任务后执行的命令；history n显示最近执行的n条指令

基本思路

很明显本次实验主要是以考察Shell基本功能以及管道的实现为主。之前已经详细讲解了管道的实现，可以参考这篇文章。

熟悉命令

首先我们先在UNIX自带的Shell下实现重定向和管道功能，示例命令可以参考如下：

# ps &

# cat numbers.txt | sort > temp.txt

# sort < numbers.txt | grep 1 > a.txt

# ps -ef | grep -sh

# cd ..

我们不难发现：

“>”，“>>”重定向命令只能在命令中出现一次，一旦出现后，之后还有什么命令也是无效的。
“<”命令也只能出现一次，但是后面可以接管道命令。
“|”管道命令可以出现多次，且管道之后还可以使用重定向符号。
实际上所有命令进入程序之后都是一串字符串，因此对字符串的解析是最重要的。
对于ps，ls，cd等命令，可以使用exceve命令进行操作，并不需要我们自己实现。
如果注意，可以发现系统Shell在实现后台进程时，可能会出现如下情况：
- 我们让ls的结果在后台运行，但为什么会在结果前多一个“#”呢？
- 原因是因为后台运行的子进程和前台运行的父进程同时进行，谁先谁后不能确定，图中就是父进程先运行，打印了“#”，子进程再打印ls的结果，因此出现了这种情况。

难点

管道的实现以及fork()的使用。
子父进程进行信号交互，以及回收僵尸进程。
多文件的协调和编译。

大体框架

主函数入口

由于我们在Windows下写这个Shell无法编译，每次必须在UNIX下编译，因此必须在写之前就想好模块布局，不然很难debug和进行单元测试。一个Shell其实就是一个while(1)的死循环，每次输出提示符到屏幕，然后执行输入的字符串命令。因此不难写出大体框架：

    int main() {
    /*Command line*/
    while (1) {

        printf("cmd >");
        /*set buf to empty*/
        memset(buf, 0, sizeof(buf));
        /*Read from keyboard*/
        fgets(buf, MAXLINE, stdin);

        /*The function feof() tests the end-of-file indicator
        for the stream pointed to by stream,
        returning non-zero if it is set. */
        if (feof(stdin))
            exit(0);
        /*update the command history*/
        UpdateHistory();
        /*command exceve*/
        command();
    }
    return 0;
}

主程序的确很简单，就是每次用buf读取输入的字符串，然后更新输入列表（为了 history功能的实现），然后再解析命令（command）即可。

字符串命令存储方式

Shell主要就是对得到的命令进行操作，因此命令如何存储是至关重要的。最简单的想法就是用一个char*[]字符串数组存储，但是我们后面对命令解析需要 命令的下标等其他信息，因此这里选择用struct进行存储更为方便。定义结构体如下：

struct CommandInfomation {
    char* argv[512]; /*store the command after Parsing*/
    int argc;        /*the number of argv,split with space*/
    int index;       /*store the index of special character*/
    int background;  /*whether it is a background command*/
    enum specify type[50];
    int override; /* in case after < command has muti pipes */
    char* file;
};

初始化函数为：

void initStruct(struct CommandInfomation* a) {
    a->argc = 0;
    a->index = 0;
    a->background = 0;
    a->override = 0;
    a->file = NULL;
    memset(a->type, 0, sizeof(a->type));
}

特殊字符命令

对于重定向">"，管道"|"等特殊命令，我们需要使用额外的标识来注明，方便后面的操作。这里使用eunm实现。

/*the enum stand for different command*/
enum specify {NORMAL, OUT_REDIRECT, IN_REDIRECT, OUT_ADD, PIPE};

主要函数详解

pipe(fd2)

此函数用于实现无名管道，将fd2数组中的两个文件描述符分别标记为管道读（fd[0]）和管道写（fd[1]）。

dup(fd)

为复制文件操作符的系统函数，可以定向目前未被使用的最小文件操作符到fd所指的文件。相类似的函数还有dup2[fd1,fd2],意思是 未被使用的文件描述符fd2 作为fd1的副本，进过此函数后，fd1和fd2都可访问同一个文件。

execlp(const char file, const char arg, ...)

属于exec()函数族，会从PATH环境变量所指的目录中查找符合参数file的文件名，找到后便执行该文件，然后将第二个以后的参数当做该文件的argv[0]、argv1……，最后一个参数必须用空指针(NULL)作结束。命令中的ls，ps等内置系统命令都可以由此函数进行解析。要注意，此函数一经调用就不会再返回。

chdir(const char * path)

改变当前的工作路径以参数path所指的目录，使用比较简单，支持常用的改变路径的方式，例如退回上一级：cd .. ，也支持绝对路径。

执行命令

由主函数可知，我们得到了命令需要进行解析，由于我们知道exceve函数一旦调用就不会返回，因此要使用fork()函数对其子进程进行处理。这里需要注意的是，由于子进程一定要比父进程先结束，因此我们需要将执行的命令放到子进程中，父进程进行等待或者执行后面的命令，否则会出现父进程结束子进程还在运行的错误。

父子进程进行通讯

需要注意的是，Shell支持后台程序运行，因此，父进程不一定要等待子进程运行结束才做后面的事情，但这就涉及到子进程结束后，父进程需要回收僵尸进程。那么，如何做到这一点呢？

Linux上进行信号屏蔽

在Linux系统上，我们可以使用signal(int signum, sighandler_t handler)函数来设置某一类的信号处理或者屏蔽。我们知道，子进程要exit()之前，会发送SIGCHLD信号给父进程，提醒父进程来回收子进程的退出状态和其他信息。在这里，我们可以使用一个特殊的技巧：

signal(SIGCHLD, SIG_IGN)

这里是让父进程屏蔽子进程的信号，为什么这样就可以做到回收僵尸进程的作用呢？原来是因为在Linux中，当我们忽略SIGCHLD信号时，内核将把僵尸进程交由init进程去处理，能够省去大量僵尸进程占用系统资源。因此，屏蔽了子信号后，子程序在要结束时发送信号没人应答，内核就会认为这是一个孤儿进程，因此被init进程去回收，可以很好的解决我们面临的问题。

BSD系统上的信号处理

而笔者使用的是Minix3.3的系统，经过实测，内核并不会在父进程屏蔽信号后主动回收孤儿进程，因此不能使用这种方法。那怎么办呢？因此只能自己写一个handler，规定父进程在收到子进程结束的信号后再wait，这样也可以实现此功能。但缺点就是wait函数需要阻塞父进程直到子进程结束为止，对于并发要求较高的并发服务器，可能就不是很适用。我们使用这种方法完成后台程序的运行：

    void SIG_IGN_handler(int sig)
    {
        waitpid(-1, NULL, 0);
        return;
    }

在主程序中install这个handler：

signal(SIGCHLD, SIG_IGN_handler);

这样就完成了后台进程的功能。

history功能实现

查找前n个命令是比较简单的功能，我们可以使用队列进行实现，在这里笔者就稍微偷懒一点，直接使用定长的字符串数组进行。

/*update command history*/
void UpdateHistory()
{
    char *temp;
    if (strcmp(buf, "\n") == 0)
        return;
    if (HistoryIndex > MAXLINE)
        HistoryIndex = 0;
    temp = (char *)malloc(sizeof(buf));
    strcpy(temp, buf);
    CommandHistory[HistoryIndex++] = temp;
    return;
}


/*print the command with n lines*/
void PrintCommand(int n)
{
    int i,j=0;
    if (n == -1) {
        for (i = 0 ; i < HistoryIndex; i++)
            printf("the %d command: %s\n", i, CommandHistory[i]);
    }
    else {
        if (n > HistoryIndex) {
            printf("Warning: the argument is too large.\n");
            return;
        }
        for (i = HistoryIndex - n; i < HistoryIndex; i++)
            printf("the %d command: %s\n", ++j, CommandHistory[i]);
    }
}

参考资料

linux信号函数signal
Operating System:Design and Implementation,Third Edition
Computer Systems: A Programmer's Perspective, 3/E

UNIX 管道及 Shell 实现（一）主体框架

基本要求

基本思路

熟悉命令

难点

大体框架

主函数入口

字符串命令存储方式

特殊字符命令

主要函数详解

pipe(fd2)

dup(fd)

execlp(const char file, const char arg, ...)

chdir(const char * path)

执行命令

父子进程进行通讯

Linux上进行信号屏蔽

BSD系统上的信号处理

history功能实现

参考资料

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基本要求

基本思路

熟悉命令

难点

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字符串命令存储方式

特殊字符命令

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pipe(fd2)

dup(fd)

execlp(const char *file, const char *arg, ...)

chdir(const char * path)

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Linux上进行信号屏蔽

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execlp(const char file, const char arg, ...)