CSAPP: Shell Lab

这个实验要求我们写一个简单的shell,能够执行一些内置的命令和系统提供的程序,比如echo和ps,这里是详细的要求。这个shell需要提供最基础的功能,前台执行程序,后台执行程序,能从terminal接受SIGINT(ctrl+c)信号和SIGTSTP(ctrl+z)信号来终止和停止程序。

整体框架是这样的:从stdin读入用户命令,然后parse这个命令,如果是内置命令(比如quit,退出shell的命令),则立刻执行,否则fork一个子进程,用execve把子进程的地址空间替换为相应的程序。另外为了支持用户发送信号给shell,还需要写3个信号处理程序,分为处理SIGCHLD, SIGINT和SIGTSTP。

这个lab里不要求我们写管道的功能,比如ls | grep "abc",如果要写的话也比较方便,用pipe就可以实现,有兴趣的同学可以自己实现,这里需要注意每个进程一定把不用的file descriptor关闭掉。原因是在fork之前要初始化管道,于是父子进程的管道descripor指向的file table的ref count是2,如果父子进程不关闭它不需要的读写描述符,那么资源不回收是小事,更要命的是子进程可能会一直读不到管道EOF然后一直等待管道另一方的输入。

需要注意的一些东西:

  1. 需要修改子进程的进程组ID。原因是,fork出来的子进程和父进程的进程组ID是相同的,所以启动我们的shell后按ctrl+c发送SIGINT信号给shell,会同时发给shell和shell的子进程,包括后台进程,然后这个进程组的进程都将会被关闭。这显然不是正确的,我们的预期是只发给shell,然后由信号的handler来处理这个信号(如果有前台进程,那么发送SIGINT给这个进程组;否则就什么都不做)。所以在fork之后execve之前需要调用setpgid(0, 0),这个函数把当前进程的进程组id设置为当前进程的进程号。

  2. 当shell接收到用户发来的SIGINT或SIGTSTP时,shell需要将这个信号转发相关的进程组,而不是单个进程,所以在用kill函数的时候第一个参数是-pid

  3. 在fork之前,主进程需要先用sigprocmask函数来block信号SIGCHLD,然后再unblock,这样做的目的是防止addjobdeletejob乱序执行。在某种调度顺序下,子进程先完成任务,发送SIGCHLD给父进程,父进程于是执行handler来处理,其中需要调用deletejob,这个时候addjob可能没有执行。注意在子进程也要unblock这个信号。

  4. 程序需要处理别的程序给子进程发送信号的情况,此时的shell需要正确处理。比如,子进程自己给自己发送了一个SIGTSTP,然后kernel会给shell发送一个SIGCHLD(子进程终止或停止,kernel都会给父进程发送SIGCHLD),shell需要正确地输出相关信息到标准输出。

拓展

这个shell功能非常基础,接下来为它提供一些高级功能,这些高级功能会更新到我的第三版实现中。

  1. 管道。虽然上面说了管道实现起来比较容易,其实实际实现起来还是有很多值得讨论的地方,比如多级管道怎么实现呢?我认为一个比较好的实现方法是实现一个自顶向下的parser,输出一个语法树,递归地对它进行处理即可。

  2. 重定向。这个比较简单,只要打开文件,dup文件描述符到标准输出或标准输入即可。

源码

这个lab我分别为第二版和第三版做了两次,第二版的代码在这里,第三版的代码在这里

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