20155326 第五周加分题--mybash的实现

第五周加分题--mybash的实现

题目要求

1.使用fork,exec,wait实现mybash

2.写出伪代码，产品代码和测试代码

3.发表知识理解，实现过程和问题解决的博客（包含代码托管链接）

bash是什么

在百度中搜索bash查看它是什么，得知bash 是一个为GNU计划编写的Unix shell。bash 指的就linux常用的shell脚本语言，这个常见于脚本第一行 ： #！/bin/bash或者 #！/bin/sh

这种shell脚本很简单，就和你在终端输入命令一样，一行一行执行。

通过man -f pwd直接运行命令，可以了解pwd的大致功能。

要进一步了解pwd的用法，需要借助联机帮助manpages，输入man 1 pwd:

重点看总览(SYNOPSIS)部分，这是命令的用法说明，包括命令格式、参数(arguments)和选项(Option)列表。

描述(DESCRIPTION)部分是关于命令功能的详细阐述，根据命令和平台的不同，描述的内容也不同，有的简洁、精确，有的包含了大量的例子。不管怎么样，它描述了命令的所有功能，而且是这个命令的权威性解释。

mybash令是如何实现的？

由题可知可通过fork,exec,wait来实现mybash。

那么我们一个个的开始学习。

fork是什么

• 一个进程，包括代码、数据和分配给进程的资源。fork（）函数通过系统调用创建一个与原来进程几乎完全相同的进程，也就是两个进程可以做完全相同的事，但如果初始参数或者传入的变量不同，两个进程也可以做不同的事。

• 一个进程调用fork（）函数后，系统先给新的进程分配资源，例如存储数据和代码的空间。然后把原来的进程的所有值都复制到新的新进程中，只有少数值与原来的进程的值不同。相当于克隆了一个自己。

• 通过一个小例子，可以对fork产生一个基本的认识：

#include <unistd.h>
#include <stdio.h>
int main ()
{
    pid_t fpid; //fpid表示fork函数返回的值
    int count=0;
    fpid=fork();
    if (fpid < 0)
        printf("error in fork!");
    else if (fpid == 0) {
        printf("i am the child process, my process id is %d\n",getpid());
        printf("I'm the child\n");
        count++;
    }
    else {
        printf("i am the parent process, my process id is %d\n",getpid());
        printf("I'm the father\n");
        count++;
    }
    printf("统计结果是: %d\n",count);
    return 0;
}  

• 运行结果如下：

• 这里可以看出在语句fpid=fork()之前，只有一个进程在执行这段代码，但在这条语句之后，就变成两个进程在执行了，这两个进程的几乎完全相同。fork调用的一个奇妙之处就是它仅仅被调用一次，却能够返回两次，它可能有三种不同的返回值：

    1）在父进程中，fork返回新创建子进程的进程ID；
    2）在子进程中，fork返回0；
    3）如果出现错误，fork返回一个负值；
  

• 在fork函数执行完毕后，如果创建新进程成功，则出现两个进程，一个是子进程，一个是父进程。在子进程中，fork函数返回0，在父进程中，fork返回新创建子进程的进程ID。我们可以通过fork返回的值来判断当前进程是子进程还是父进程。

• fork出错可能有两种原因：

    1）当前的进程数已经达到了系统规定的上限，这时errno的值被设置为EAGAIN。
    2）系统内存不足，这时errno的值被设置为ENOMEM。
  

• 创建新进程成功后，系统中出现两个基本完全相同的进程，这两个进程执行没有固定的先后顺序，哪个进程先执行要看系统的进程调度策略。

• 接下来我们对fork进行深一步的理解，运行下面代码：

#include <unistd.h>
#include <stdio.h>
int main(void)
{
   int i=0;
   printf("I son/fa ppid pid  fpid\n");
   //pid指当前进程的父进程pid
   //pid指当前进程的pid,
   //fpid指fork返回给当前进程的值
   for(i=0;i<2;i++){
       pid_t fpid=fork();
       if(fpid==0)
           printf("%d son  %4d %4d %4d\n",i,getppid(),getpid(),fpid);
       else
           printf("%d father %4d %4d %4d\n",i,getppid(),getpid(),fpid);
   }
   return 0;
}  

• 运行结果是：

• 分析代码我们可以得到下面的过程图：

• 这个程序最终产生了3个子进程，执行过6次printf（）函数。

• 第一步：在父进程中，指令执行到for循环中，i=0，接着执行fork，fork执行完后，系统中出现两个进程，分别是p3224和p3225（后面我都用pxxxx表示进程id为xxxx的进程）。可以看到父进程p3224的父进程是p2043，子进程p3225的父进程正好是p3224。我们用一个链表来表示这个关系：
  
  p2043->p3224->p3225

• 第一次fork后，p3224（父进程）的变量为i=0，fpid=3225（fork函数在父进程中返向子进程id），代码内容为：

    for(i=0;i<2;i++){
    pid_t fpid=fork();//执行完毕，i=0，fpid=3225
    if(fpid==0)
    printf("%d child  %4d %4d %4d/n",i,getppid(),getpid(),fpid);
    else
    printf("%d parent %4d %4d %4d/n",i,getppid(),getpid(),fpid);
    }
    return 0;
  

• p3225（子进程）的变量为i=0，fpid=0（fork函数在子进程中返回0），代码内容为：

    for(i=0;i<2;i++){
    pid_t fpid=fork();//执行完毕，i=0，fpid=0
    if(fpid==0)
       printf("%d child  %4d %4d %4d/n",i,getppid(),getpid(),fpid);
    else
       printf("%d parent %4d %4d %4d/n",i,getppid(),getpid(),fpid);
    }
    return 0;
  

• 所以打印出结果：
  
  0 parent 2043 3224 3225
  
  0 child 3224 3225 0

• 第二步：假设父进程p3224先执行，当进入下一个循环时，i=1，接着执行fork，系统中又新增一个进程p3226，对于此时的父进程，p2043->p3224（当前进程）->p3226（被创建的子进程）。

• 对于子进程p3225，执行完第一次循环后，i=1，接着执行fork，系统中新增一个进程p3227，对于此进程，p3224->p3225（当前进程）->p3227（被创建的子进程）。从输出可以看到p3225原来是p3224的子进程，现在变成p3227的父进程。父子是相对的，这个大家应该容易理解。只要当前进程执行了fork，该进程就变成了父进程了，就打印出了parent。

• 所以打印出结果是：
  
  1 parent 2043 3224 3226
  
  1 parent 3224 3225 3227

• 第三步：第二步创建了两个进程p3226，p3227，这两个进程执行完printf函数后就结束了，因为这两个进程无法进入第三次循环，无法fork，该执行return 0;了，其他进程也是如此。

• 以下是p3226，p3227打印出的结果：
  
  1 child 1 3227 0
  
  1 child 1 3226 0

• 在p3224和p3225执行完第二个循环后，main函数就该退出，也即进程该死亡了，因为它已经做完所有事情了。p3224和p3225死亡后，p3226，p3227就没有父进程了，这在操作系统是不被允许的，所以p3226，p3227的父进程就被置为p1了，p1是永远不会死亡的。

wait

• 由于fork产生的父子进程的执行没有固定的先后顺序，哪个进程先执行要看系统的进程调度策略，所以要实现mybash必须使用wait函数。如果在使用fork()之前调用wait(),wait()的返回值则为-1,正常情况下wait()的返回值为子进程的PID.

• wait的函数原型是：

    #include <sys/types.h> /* 提供类型pid_t的定义 */
    #include <sys/wait.h>
    pid_t wait(int *status);
  

返回值： 如果执行成功则返回子进程识别码(PID)，如果有错误发生则返回-1。失败原因存于errno中。

• 进程一旦调用了wait，就立即阻塞自己，由wait自动分析是否当前进程的某个子进程已经 退出，如果让它找到了这样一个已经变成僵尸的子进程， wait就会收集这个子进程的信息，并把它彻底销毁后返回；如果没有找到这样一个子进程，wait就会一直阻塞在这里，直到有一个出现为止。

• 参数status用来保存被收集进程退出时的一些状态，它是一个指向int类型的指针。但如果我们对这个子进程是如何死掉的毫不在意，只想把这个僵尸进程消灭掉，（事实上绝大多数情况下，我们都会这样想），我们就可以设定这个参数为NULL，就象下面这样：
  
  pid = wait(NULL);
  
  如果成功，wait会返回被收集的子进程的进程ID，如果调用进程没有子进程，调用就会失败，此时wait返回-1，同时errno被置为ECHILD。

• 下面运行一个例子来理解wait调用：

#include <sys/types.h>
#include <sys/wait.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>
#include <stdio.h>
#include <errno.h>

int main()
{
	pid_t pc, pr;
	pc = fork();
	if ( pc < 0 ) /* 如果出错 */
	{
		printf("create child prcocess error: %s/n", strerror(errno));
		exit(1);
	}
	else if ( pc == 0) /* 如果是子进程 */
	{
		printf("I am child process with pid %d \n", getpid());
		sleep(3);/* 睡眠3秒钟 */
		exit(0);
	}
	else /* 如果是父进程 */
	{
		printf("Now in parent process, pid = %d/n", getpid());
		printf("I am waiting child process to exit.\n");
		pr = wait(NULL); /* 在这里等待子进程结束 */
		if ( pr > 0 ) /*子进程正常返回*/
		printf("I catched a child process with pid of %d\n", pr);
		else /*出错*/
		printf("error: %s/n.\n", strerror(errno));
	}
	exit(0);
}

• 运行结果：

• 设定的让子进程睡眠3s的时间，只有子进程从睡眠中苏醒过来，它才能正常退出，也就才能被父进程捕捉到。这里不管设定子进程睡眠的时间有多长，父进程都会一直等待下去。

exec

• exec命令用于调用并执行指令的命令。exec命令通常用在shell脚本程序中，可以调用其他的命令。如果在当前终端中使用命令，则当指定的命令执行完毕后会立即退出终端。

通过man -k exec来寻找相关信息，找到了符合要求的几个函数：

• 通过帮助手册，找到了所有的语法格式：

• int execl(const char *pathname， const char arg0， ... / (char *)0 *);
  
  execl()函数用来执行参数path字符串所指向的程序，第二个及以后的参数代表执行文件时传递的参数列表，最后一个参数必须是空指针以标志参数列表为空.

• int execv(const char *path， char *const argv[]);

    execv()函数函数用来执行参数path字符串所指向的程序，第二个为数组指针维护的程序参数列表，该数组的最后一个成员必须是空指针。
  

• int execlp(const char *filename， const char arg0， ... / (char *)0 */ );

    execlp()函数会从PATH环境变量所指的目录中查找文件名为第一个参数指示的字符串，找到后执行该文件，第二个及以后的参数代表执行文件时传递的参数列表，最后一个参数必须是空指针.
  

• int execvp(const char *file， char *const argv[]);

    execvp()函数会从PATH环境变量所指的目录中查找文件名为第一个参数指示的字符串，找到后执行该文件，第二个及以后的参数代表执行文件时传递的参数列表，最后一个成员必须是空指针。
  

• 由于exec函数会取代执行它的进程, 一旦exec函数执行成功, 它就不会返回了, 进程结束。但是如果exec函数执行失败, 它会返回失败的信息, 而且进程继续执行后面的代码。
  
  所以通常exec会放在fork() 函数的子进程部分, 来替代子进程执行, 执行成功后子程序就会消失, 但是执行失败的话, 必须用exit()函数来让子进程退出。

mybash的实现

• 学习了fork、wait、exec后，我们可以编写一个伪代码来模拟mybash的实现：

  while(!命令结束)
  
  {
  
  取命令
  
  命令通过exec运行
  
  使用fork建立一个进程
  
  使用wait等待命令执行完
  
  }

• mybash代码

mybash代码

• 运行结果如下

实践感想

这次mybash的学习让我掌握了很多新的知识，更深入的理解了进程，通过fork、wait、exec这三个函数的学习，对linux shell有了更深的理解。

参考文献

linux c语言 fork() 和 exec 函数的简介和用法

linux中wait系统调用

linux中fork（）函数详解

Linux编程基础之进程等待（wait()函数）