用 C 語言寫一個簡單的 Unix Shell（2）
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在第一部分中我們討論了 fork 系統(tǒng)調用以及它的注意事項。在本文中，我們將研究怎樣執(zhí)行命令。
這里將介紹 exec 函數家族。即以下函數：
-
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[]);
函數名中的 vp 表明：它接受一個文件名，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。
你可以閱讀 exec 的 man 頁面 以得到其它函數的更多信息。
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;
}
關于 execvp 函數，有幾點需要注意：
-
第一個參數是命令名。
-
第二個參數由命令名和傳遞給命令自身的參數組成。并且它必須以 NULL 結束。
-
它將當前進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 中手動執(zhí)行l(wèi)s -l -h -a的結果完全相同。
既然我們能執(zhí)行命令了，我們需要使用在第一部分中學到的fork 系統(tǒng)調用構建有用的東西。事實上我們要做到以下這些：
-
當用戶輸入時接受命令。
-
調用 fork 以創(chuàng)建一個子進程。
-
在子進程中執(zhí)行命令，同時父進程等待命令完成。
-
回到第一步。
我們看看下面的函數，它接收一個字符串作為輸入。我們使用庫函數 strtok 以空格分割該字符串，然后返回一個字符串數組，數組也用 NULL來終結。
include <stdlib.h>
#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;
}
如果該函數的輸入是字符串 "ls -l -h -a"，那么函數將會創(chuàng)建這樣形式的一個數組：["ls", "-l", "-h", "-a", NULL]，并且返回指向此隊列的指針。
現在，我們在主函數中調用 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，我們在子進程中調用 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 fork 命令完成后，子進程是父進程的一份精確的拷貝。然而，當我們調用 execvp 時，它將當前程序替換為在參數中傳遞給它的程序。這意味著，雖然進程的當前文本、數據、堆棧段被替換了，進程 id 仍保持不變，但程序完全被覆蓋了。如果調用成功了，那么 execvp 將不會返回，并且子進程中在這之后的任何代碼都不會被執(zhí)行。這里是主函數：
#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文件中獲取。如果你用 gcc -g -lreadline shell.c 編譯它，并執(zhí)行二進制文件，你會得到一個最小的可工作 shell，你可以用它來運行系統(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用，這意味著接受用戶輸入的用戶提示符是父進程。
錯誤處理
到目前為止，我們一直假設我們的命令總會完美的運行，還沒有處理錯誤。所以我們要對 shell.c做一點改動：
-
fork – 如果操作系統(tǒng)內存耗盡或是進程數量已經到了允許的最大值，子進程就無法創(chuàng)建，會返回 -1。我們在代碼里加上以下內容：
...
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，被成功調用后它不會返回。然而，如果執(zhí)行失敗它會返回 -1。同樣地，我們修改 execvp 調用：
...
if (execvp(command[0], command) < 0) {
perror(command[0]);
exit(1);
}
...
注意：雖然fork之后的exit調用終止整個程序，但execvp之后的exit 調用只會終止子進程，因為這段代碼只屬于子進程。
-
malloc – 如果操作系統(tǒng)內存耗盡，它就會失敗。在這種情況下，我們應該退出程序：
char **get_input(char *input) {
char **command = malloc(8 * sizeof(char *));
if (command == NULL) {
perror("malloc failed");
exit(1);
}
...
-
動態(tài)內存分配 – 目前我們的命令緩沖區(qū)只分配了8個塊。如果我們輸入的命令超過8個單詞，命令就無法像預期的那樣工作。這么做是為了讓例子便于理解，如何解決這個問題留給讀者作為一個練習。
上面帶有錯誤處理的代碼可在這里（https://indradhanush.github.io/code/shell-part-2/shell_with_error_handling.c）獲取。
內建命令
如果你試著執(zhí)行 cd 命令，你會得到這樣的錯誤：
cd: No such file or directory
我們的 shell 現在還不能識別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，暫時假設cd 也是一個系統(tǒng)程序。你認為執(zhí)行流程會是什么樣？在繼續(xù)閱讀之前，你可能想要思考一下。
流程是這樣的：
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用戶輸入 cd /。
-
shell對當前進程作 fork，并在子進程中執(zhí)行命令。
-
在成功調用后，子進程退出，控制權還給父進程。
-
父進程的當前工作目錄沒有改變，因為命令是在子進程中執(zhí)行的。因此，cd 命令雖然成功了，但并沒有產生我們想要的結果。
因此，要支持 cd，我們必須自己實現它。我們也需要確保，如果用戶輸入的命令是 cd（或屬于預定義的內建命令），我們根本不要 fork 進程。相反地，我們將執(zhí)行我們對 cd（或任何其它內建命令）的實現，并繼續(xù)等待用戶的下一次輸入。，幸運的是我們可以利用 chdir 函數調用，它用起來很簡單。它接受路徑作為參數，如果成功則返回0，失敗則返回 -1。我們定義函數：
int cd(char *path) {
return chdir(path);
}
并且在我們的主函數中為它加入一個檢查：
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（https://indradhanush.github.io/code/shell-part-2/shell_with_builtin.c）獲取，如果你編譯并執(zhí)行它，你將能運行 cd 命令。這里是一個示例輸出：
unixsh> pwd
/Users/dhanush/github.com/indradhanush.github.io/code/shell-part-2
unixsh> cd /
unixsh> pwd
/
unixsh>
第二部分到此結束。
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