在LINUX C中以多進程方式實現微型SHELL

摘要:Linux C為用戶提供了一個強大的編程環境。該文分析并討論了linux OS下微型Shell的基本功能及實現機制，然后運用Linux下的多進程編程技術在Linux C中設計了一個微型Shell，并給出了具體實現辦法。

關鍵詞:Linux C;Linux OS;多進程編程;微型Shell

中圖分類號:TP316文獻標識碼:A文章編號:1009-3044(2010)07-1602-03

Realization of Mini Shell by Multi-Process in Linux C

ZHANG Zhi-feng

(College of Computer Science and Technology， Inner Mongolia University for Nationalities， Tongliao 028043， China)

Abstract: Linux C provides a powerful programming environment for users. The paper analyzes and discusses the mini shell's basic functions and implementation mechanisms under the Linux OS， and then designs a mini-Shell based on multi-process technology in the Linux C， and shows a specific implementation.

Key words: linux C; linux OS; multi-process programming; mini shell

Linux的圖形化環境有很大改進，在X Window系統下，用戶幾乎可以完成所有的操作，只需打開shell提示來完成極少的任務，然而，許多Linux功能在shell提示下要比在圖形化用戶界面GUI下完成得更快[1]。眾所周知，進程是操作系統和并發程序設計的一個非常重要的概念，本文主要應用Linux下的fork( )等系統調用，使用多進程編程技術，設計和實現了一個微型shell(能完成Linux OS標準shell的一部分功能)，最后給出了在Linux C下的實現代碼。

1 微型Shell的基本功能及實現機制

1.1 Shell的基本功能

Shell是功能強大的命令解釋器，它不屬于內核部分，而是在核心之外，以用戶態方式運行[2]，其最主要的功能是解釋并執行用戶鍵入的命令，實現用戶與Linux核心的接口[3]，它是Linux系統的重要組成部分。本文設計的微型shell就是要實現shell的最主要的功能。

1.2 微型Shell的實現機制

系統初啟后，核心為每個終端用戶建立一個進程去執行Shell解釋程序。它的執行過程基本上按如下步驟進行:

1)讀取用戶由鍵盤輸入的命令行，如命令末尾有號(后臺命令符號)，則設置后臺執行標識，否則前臺執行。

2)分析命令，以命令名作為文件名，并將其它參數改造為系統調用execvp()內部處理所要求的形式。

3)終端進程調用fork()建立一個子進程，當子進程運行時調用execvp()，從而達到執行用戶提交命令所對應的可執行文件，將它調入內存，執行這個程序(解釋這條命令)。

4)如果命令末尾有號(后臺命令符號)，則終端進程不用系統調用wait()(或waitpid())等待，立即發提示符，讓用戶輸入下一個命令，轉1);如果命令末尾沒有號，則終端進程要一直等待。當子進程完成處理后終止，向父進程(終端進程)報告，此時終端進程醒來，在做必要的判別等工作后，終端進程發提示符，讓用戶輸入新的命令，重復上述處理過程。

2 Linux下的多進程編程

欲實現微型shell的設計，要涉及Linux的如下幾個主要的基于進程的系統調用函數:

2.1 fork()函數[4]

fork函數(vfork函數功能與此類似)是用來創建子進程的函數，其函數原型如下所示:

Pid_t fork();

fork函數無參數，當一個進程調用它時，就出現兩個幾乎一模一樣的進程。fork可能有以下三種不同的返回值:

1)在父進程中，fork返回新創建的子進程的進程ID;

2)在子進程中，fork返回0;

3)如果出現錯誤，fork返回一個負值。

2.2exec()函數

調用fork函數后，子進程和父進程幾乎完全一樣，而多數情況下，子進程需要執行與父進程不同的代碼，為此Linux系統提供了exec系統調用，以便用指定的目標程序更換進程的執行映象。Shell進程所創建的子進程正是使用它來執行用戶鍵入的命令。exec函數有6種不同的使用格式，在本文只使用execvp格式，其函數原型如下:

Int execvp(const char *filename，const char *argv[ ]);

其中，參數filename指出可執行目標程序的文件名，它可以通過環境變量PATH來搜索;參數argv是一個字符指針數組，它指出可執行目標程序使用的命令行參數表，按約定第一個字符指針指向與filename相同的字符串，最后一個指針指向一個空字符串，其余的指向該程序執行時所帶的命令行參數。

2.3 wait()函數

進程一旦調用了wait函數(waitpid函數功能與此類似)，就立即阻塞自己，由wait自動分析是否當前進程的某個子進程已經退出，如果它找到這樣一個已經變成“僵尸”的子進程，wait就會收集這個子進程的信息，釋放其PCB，并把它徹底銷毀后返回;否則，wait就會一直阻塞下去，直到有一個這樣的子進程出現為止。其函數原型如下:

Pid_t wait(int *status);

參數status是一個指向整數的指針，如果它不為空，子進程的終止狀態字就被存放在該參數所指定的內存位置;如果我們不關心終止狀態字，將該參數置為空即可。

2.4 exit()函數[5]

exit函數是用來終止一個進程的。該函數回收與調用進程相關的各種內核數據結構，把進程狀態置為TASK_ZOMBIE，并把其所有的子進程都托付給init進程，最后調用schedule()函數，選擇一個新的進程來運行。其函數原型如下:

Voidexit(int status);

整型參數satus可以傳遞進程結束時的狀態。一般來說，0表示正常結束;其它數值表示進程非正常結束，出現了錯誤。這里要說明的是，當一個進程已調用exit退出，但其父進程還沒有調用系統調用wait對其進行收集的這段時間里，它會一直保持僵尸狀態。

3 實現微型Shell的具體要求及實現代碼

3.1 具體要求

1)允許用戶輸入一個可執行的程序的名字以及其命令行參數，最多可同時接收5個命令，另外每個命令所帶參數最多不超過10個;

2)可設置命令的前、后臺執行方式，且處理后臺程序時不需要wait;

3)打印提示符;接受和分析命令行(濾去無效的空格、tab符號以及換行符等);

4)能正確執行命令，并且要有出錯處理，最后輸入bye退出。

3.2 Linux C下的實現代碼

#include

#include

#include

#define MAXPARA 10

#define LINE 100

#define CMDLEN 5

char *bye=\"Bye bye!\";

char cmdbuf[CMDLEN][LINE]; /* 用于存放用戶輸入的多條命令 */

int flag[CMDLEN]; /* 用于設置命令后臺運行的標識 */

int main( )

{ int i，n;

While (1)

{printf(\"Hello user\\>\");/* 打印shell提示符 */

for(i=0;i<=4;i++)

{flag[i]=0;cmdbuf[i][0]='\\0';}

if (n= read_analysis_cmd ( )) /* 接收命令 */

execute_cmd ( n ); /*執行命令 */

else

printf(\"read command failed， try again!!!\\");}}

read_analysis_cmd ( )/* 接受和分析命令 */

{char c，*p; int i=0;

p=cmdbuf[0];

while((c=getchar())!='\')

{ if(c==';')

{ *p='\\0';

if(++i==3)

return(i);

p=cmdbuf[i];}

else if(c=='')

flag[i]=1;

else

*p++=c;}

*p='\\0';

return(i); }

execute_cmd ( int n) /*執行命令 */

{int j， stat， pid;

char *argv[MAXPARA]， para[LINE];

char c， *parap， **argvp， *p;

for(j=0;j

{ argvp=argv;parap=para;p=cmdbuf[j];

while((c=*p++)!='\\0')

{ while(c==' '|| c=='\')

c=*p++;

if(c=='\\0')

{*argsp++='\\0';

break;}

*argvp++=parap;

while(c!=' 'c!='\'c!='\\0')

{ *parap++=c;

c=*p;

if(c)p++;}

*parap++='\\0';}

*argvp=(char *)0;

if(strcmp(argv[0]，bye)==0)

{ printf(\"Bye Bye!\\"); /*輸入bye退出*/

exit(0);}

if((pid=fork())==0)/* 終端進程調用fork( )建立一個子進程 */

{ if(flag[j])setpgrp();/* 重新把調用進程組標識號改為調用進程的進程ID */

execvp(argv[0]，argl); /* 調用execvp()執行用戶提交的命令 */

printf(\"Returned from execve.\\");

exit(4);}

else

{ if (!flag[j])

while(wait(stat)!=pid);}/* 不用等待后臺運行的命令 */}}

參考文獻:

[1] 王俊偉，吳俊海.Linux標準教程[M].北京:清華大學出版社，2005.

[2] 鳥哥.鳥哥的Linux私房菜[M].北京:科學出版社，2001.

[3] 陳忠文.Linux操作系統實訓教程[M].北京:中國電力出版社，2006.

[4] 陳莉君，康華.Linux操作系統原理及應用[M].北京:清華大學出版社，2006.

[5] 徐誠，高瑩婷.Linux環境C程序設計[M].北京:清華大學出版社，2010.