用 C 语言写一个简单的 Unix Shell(2)

在第一部分中我们讨论了 fork 系统调用以及它的注意事项。在本文中,我们将研究怎样执行命令。

这里将介绍 exec 函数家族。即以下函数:

  • execl
  • execv
  • execle
  • execve
  • execlp
  • execvp

为了满足需要,我们将使用 execvp,它的签名看起来像这样:

函数名中的 vp 表明:它接受一个文件名,将在系统 $PATH 变量中搜索此文件名,它还接受将要执行的一组参数。

你可以阅读 exec 的 man 页面 以得到其它函数的更多信息。

让我们看一下以下代码,它执行命令 ls -l -h -a

execvp.c

关于 execvp 函数,有几点需要注意:

  1. 第一个参数是命令名。
  2. 第二个参数由命令名和传递给命令自身的参数组成。并且它必须以 NULL 结束。
  3. 它将当前进程的映像交换为被执行的命令的映像,后面再展开说明。

如果你编译并执行上面的代码,你会看到类似于下面的输出:

它和你在你的主 shell 中手动执行ls -l -h -a的结果完全相同。

既然我们能执行命令了,我们需要使用在第一部分中学到的fork 系统调用构建有用的东西。事实上我们要做到以下这些:

  1. 当用户输入时接受命令。
  2. 调用 fork 以创建一个子进程。
  3. 在子进程中执行命令,同时父进程等待命令完成。
  4. 回到第一步。

我们看看下面的函数,它接收一个字符串作为输入。我们使用库函数 strtok空格分割该字符串,然后返回一个字符串数组,数组也用 NULL来终结。

如果该函数的输入是字符串 "ls -l -h -a",那么函数将会创建这样形式的一个数组:["ls", "-l", "-h", "-a", NULL],并且返回指向此队列的指针。

现在,我们在函数中调用 readline 来读取用户的输入,并将它传给我们刚刚在上面定义的 get_input。一旦输入被解析,我们在子进程中调用 forkexecvp。在研究代码以前,看一下下面的图片,先理解 execvp 的含义:

fork 命令完成后,子进程是父进程的一份精确的拷贝。然而,当我们调用 execvp 时,它将当前程序替换为在参数中传递给它的程序。这意味着,虽然进程的当前文本、数据、堆栈段被替换了,进程 id 仍保持不变,但程序完全被覆盖了。如果调用成功了,那么 execvp 将不会返回,并且子进程中在这之后的任何代码都不会被执行。这里是函数:

全部代码可在此处的单个文件中获取。如果你用 gcc -g -lreadline shell.c 编译它,并执行二进制文件,你会得到一个最小的可工作 shell,你可以用它来运行系统命令,比如 pwdls -lha

注意:fork 只有在用户输入命令后才被调用,这意味着接受用户输入的用户提示符是父进程。

错误处理

到目前为止,我们一直假设我们的命令总会完美的运行,还没有处理错误。所以我们要对 shell.c做一点改动:

  • fork – 如果操作系统内存耗尽或是进程数量已经到了允许的最大值,子进程就无法创建,会返回 -1。我们在代码里加上以下内容:

  • execvp – 就像上面解释过的,被成功调用后它不会返回。然而,如果执行失败它会返回 -1。同样地,我们修改 execvp 调用:

  • 注意:虽然fork之后的exit调用终止整个程序,但execvp之后的exit 调用只会终止子进程,因为这段代码只属于子进程。
  • malloc – 如果操作系统内存耗尽,它就会失败。在这种情况下,我们应该退出程序:
  • 动态内存分配 – 目前我们的命令缓冲区只分配了8个块。如果我们输入的命令超过8个单词,命令就无法像预期的那样工作。这么做是为了让例子便于理解,如何解决这个问题留给读者作为一个练习。

上面带有错误处理的代码可在这里获取。

内建命令

如果你试着执行 cd 命令,你会得到这样的错误:

我们的 shell 现在还不能识别cd命令。这背后的原因是:cd不是lspwd这样的系统程序。让我们后退一步,暂时假设cd 也是一个系统程序。你认为执行流程会是什么样?在继续阅读之前,你可能想要思考一下。

流程是这样的:

  1. 用户输入 cd /
  2. shell对当前进程作 fork,并在子进程中执行命令。
  3. 在成功调用后,子进程退出,控制权还给父进程。
  4. 父进程的当前工作目录没有改变,因为命令是在子进程中执行的。因此,cd 命令虽然成功了,但并没有产生我们想要的结果。

因此,要支持 cd,我们必须自己实现它。我们也需要确保,如果用户输入的命令是 cd(或属于预定义的内建命令),我们根本不要 fork 进程。相反地,我们将执行我们对 cd(或任何其它内建命令)的实现,并继续等待用户的下一次输入。,幸运的是我们可以利用 chdir 函数调用,它用起来很简单。它接受路径作为参数,如果成功则返回0,失败则返回 -1。我们定义函数:

并且在我们的函数中为它加入一个检查:

带有以上更改的代码可从这里获取,如果你编译并执行它,你将能运行 cd 命令。这里是一个示例输出:

第二部分到此结束。这篇博客帖文中的所有代码示例可在这里获取。在下一篇博客帖文中,我们将探讨信号的主题以及实现对用户中断(Ctrl-C)的处理。敬请期待。

致谢

谢谢 Dominic Spadacene和我搭档写这篇文章,谢谢 Saul Pwanson帮我解决怪异的内存泄漏,当时代码貌似完全不能工作了。

更新:Saul提到:按照惯例,用 < 0 来检查错误比用 == -1 更好,因为有些 API 可能返回除了 -1 以外的负值,<0 有助于应对那些情况。我已经据此更新了本帖文和代码示例。

参考资料

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关于作者:效楚

本职工作是IC设计,工作中也经常做脚本编写、嵌入式编程等,对软件和文字翻译亦有浓厚的兴趣。 个人主页 · 我的文章 · 14

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