伯樂在線 - 效楚 翻譯
來源：http://blog.jobbole.com/111738/
免責聲明：我不是編寫 shell 這個課題的專家，我是一邊自學一邊分享我的發現。
shell 是什麼？
關於這一點已經有很多書面資料，所以對於它的定義我不會探討太多細節。只用一句話說明：
shell 是允許你與操作系統的核心作交互的一個界面（interface）。
shell 是怎樣工作的？
shell解析用戶輸入的命令並執行它。為了能做到這一點，shell的工作流程看起來像這樣：
- 啟動shell
- 等待用戶輸入
- 解析用戶輸入
- 執行命令並返回結果
- 回到第 2 步。
但在這整個流程中有一個重要的部分：進程。shell是父進程。這是我們的程序的主線程，它等待用戶輸入。然而，由於以下原因，我們不能在主線程自身中執行命令：
- 一個錯誤的命令會導致整個shell停止工作。我們要避免此情況。
- 獨立的命令應該有他們自己的進程塊。這被稱為隔離，屬於容錯（機制）。
Fork
為了能避免此情況，我們使用系統調用 fork。我曾以為我理解了 fork，直到我用它寫了大約4行代碼（才發現我沒有理解）。
fork 創建當前進程的一份拷貝。這份拷貝被稱為“子進程”，系統中的每個進程都有與它聯繫在一起的唯一的進程 id（pid）。讓我們看以下代碼片段：
fork.c
fork 系統調用返回兩次，每個進程一次。這一開始聽起來是反直覺的。但讓我們看一下在底層發生了什麼。
- 通過調用 fork，我們在程序中創建了一個新的分支。這與傳統的 if-else 分支不同。fork 對當前進程創建一份拷貝並從中創建了一個新的進程。最終系統調用返回子進程的進程 id。
- 一旦 fork 調用成功，子進程和父進程（我們的代碼的主線程）會同時運行。
為了讓你更好理解程序流程，看這個圖：
fork
fork() 創建了一個新的子進程，但與此同時，父進程的執行並沒有停止。子進程執行的開始和結束獨立於父進程，反之亦然。
更進一步討論以前，先說明一點：getpid 系統調用返回當前的進程 id。
如果你編譯並執行這段代碼，會得到類似於下面的輸出：
### Parent ###
Current PID: 85247 and Child PID: 85248
### Child ###
Current PID: 85248 and Child PID: 0
在 ### Parent ### 下面的片段中，當前進程 ID 是 85247，子進程 ID 是 85248。注意，子進程的 pid 比父進程的大，表明子進程是在父進程之後創建的。（更新：正如某人在 Hacker News 上正確指出的，這並不是確定的，雖然往往是這樣。原因在於，操作系統可能回收無用的老進程 id。）
在 ### Child ### 下面的片段中，當前進程 ID 是 85248，這與前面片段中子進程的 pid 相同。然而，這裡的子進程 pid 為 0。
實際的數字會隨著每一次執行而變化。
你可能在想，我們已經在第 9 行明確的給 child_pid 賦了一個值（譯者注：應該是第7行），那麼 child_pid 怎麼會在同一個執行流程中呈現兩個不同的值，這種想法值得原諒。但是，回想一下，調用 fork 創建了一個新進程，這個新進程與當前進程相同。因此，在父進程中，child_pid 是剛創建的子進程的實際值，而子進程本身沒有自己的子進程，所以 child_pid 的值為 0。
因此，為了控制哪些代碼在子進程中執行，哪些又在父進程中執行，需要我們在 12 到 16 行定義的 if-else 塊（譯者注：應該是 10 到 16 行）。當 child_pid 為 0 時，代碼塊將在子進程下執行，而 else 塊卻會在父進程下執行。這些塊被執行的順序是不確定的，取決於操作系統的調度程序。
引入確定性
讓我向你介紹系統調用 sleep。引用 linux man 頁面的話：
sleep – 暫停執行一段時間
時間間隔以秒為單位。
讓我們給父進程，即我們代碼中的 else 塊，加一個 sleep(1) 調用：
sleep_parent.c
當你執行這段代碼時，輸出將類似這樣：
### Child ###
Current PID: 89743 and Child PID: 0
1秒鐘以後，你將看到
### Parent ###
Current PID: 89742 and Child PID: 89743
每次執行這段代碼時你會看到同樣的表現。這是因為：我們在父進程中做了一個阻塞性的 sleep 調用，與此同時，操作系統調度程序發現有空閒的 CPU 時間可以給子進程執行。
類似的，如果你反過來，把 sleep(1) 調用加到子進程，也就是我們代碼中的 if 塊裡面，你會發現父進程塊立刻輸出到控制檯上。但你也會發現程序終止了。子進程塊的輸出被轉存到標準輸出。看起來是這樣：
$ 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。
這是因為父進程在 printf 語句之後無事可做，被終止了。然而，子進程在 sleep 調用處被阻塞了 1 秒鐘，之後才執行 printf 語句。
正確實現的確定性
然而，使用 sleep 來控制進程的執行流程不是最好的方法，因為你做了一個 n 秒的 sleep 調用：
- 你怎麼確保不管你等待的是什麼，都會在 n 秒內完成執行呢？
- 不管你等待的是什麼，要是它在遠遠早於 n 秒時就結束了呢？在此情況下你不必要地閒置了。
有一種更好的方法是，使用 wait 系統調用（或一種變體）來代替。我們將使用 waitpid 系統調用。它帶有以下參數：
- 你想要程序等待的進程的進程 ID。
- 一個變量，用來保存進程如何終止的相關信息。
- 選項標誌，用來定製 waitpid 的行為
wait.c
當你執行這段代碼，你會發現子進程塊立刻被打印，然後等待很短的一段時間（這裡我們在 printf 後面加了 sleep）。父進程等待子進程執行結束，之後就有空執行它自己的命令。
這裡將介紹 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 $PATH 變量中搜索此文件名，它還接受將要執行的一組參數。
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，它執行命令 ls -l -h -a：
execvp.c
#include <unistd.h>
int main() {
char *argv[] = {"ls", "-l", "-h", "-a", NULL};
execvp(argv[0], argv);
return 0;
}
關於 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。並且它必須以 NULL 結束。
- 它將當前進程的映像交換為被執行的命令的映像，後面再展開說明。
如果你編譯並執行上面的代碼，你會看到類似於下面的輸出：
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 中手動執行ls -l -h -a的結果完全相同。
既然我們能執行命令了，我們需要使用在第一部分中學到的fork 系統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 以創建一個子進程。
- 在子進程中執行命令，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，然後返回一個字符串數組，數組也用 NULL來終結。
如果該函數的輸入是字符串 “ls -l -h -a”，那麼函數將會創建這樣形式的一個數組：[“ls”, “-l”, “-h”, “-a”, NULL]，並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，並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 命令完成後，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，那麼 execvp 將不會返回，並且子進程中在這之後的任何代碼都不會被執行。這裡是主函數：
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，並執行二進制文件，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後才被調用，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，子進程就無法創建，會返回 -1。我們在代碼里加上以下內容：
execvp – 就像上面解釋過的，被成功調用後它不會返回。然而，如果執行失敗它會返回 -1。同樣地，我們修改 execvp 調用：
注意：雖然fork之後的exit調用終止整個程序，但execvp之後的exit 調用只會終止子進程，因為這段代碼只屬於子進程。
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);
}
...
動態內存分配 – 目前我們的命令緩衝區只分配了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。這麼做是為了讓例子便於理解，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裡獲取。
內建命令
如果你試著執行 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。這背後的原因是：cd不是ls或pwd這樣的系統程序。讓我們後退一步，暫時假設cd 也是一個系統程序。你認為執行流程會是什麼樣？在繼續閱讀之前，你可能想要思考一下。
流程是這樣的：
- 用戶輸入 cd /。
- shell對當前進程作 fork，並在子進程中執行命令。
- 在成功調用後，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行的。因此，cd 命令雖然成功了，但並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（或屬於預定義的內建命令），我們根本不要 fork 進程。相反地，我們將執行我們對 cd（或任何其它內建命令）的實現，並繼續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);
}
並且在我們的主函數中為它加入一個檢查：
帶有以上更改的代碼可從這裡獲取，如果你編譯並執行它，你將能運行 cd 命令。這裡是一個示例輸出：
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。這篇博客帖文中的所有代碼示例可在這裡獲取。在下一篇博客帖文中，我們將探討信號的主題以及實現對用戶中斷（Ctrl-C）的處理。敬請期待。