(译自 https://indradhanush.github.io)

我正在 RC(Recurse Center,纽约市的一个程序员教育特色社区,译者注)尝试一个项目,就是编写 UNIX shell。 这是将要发布的一系列帖子的第一篇。

什么是 Shell?

很多人都写了这一点,所以我不会太涉及这个定义的细节。 然而,用一句话来概括 -

Shell 是一个接口,使您可以与操作系统内核进行交互。

Shell 如何工作?

Shell 解析用户输入的命令并执行此操作。 为了能够做到这一点,shell 的工作流程是这样的:

  1. 启动 shell
  2. 等待用户输入
  3. 解析用户输入
  4. 执行命令并返回结果
  5. 返回到 2

所有这一切都有一个重要的原因:进程。 Shell 是父进程。 它是我们程序的 main 线程,等待用户输入。 但是,我们不能在 main 线程本身中执行命令,原因如下:

  1. 错误的命令会导致整个 shell 停止工作。 我们想避免这种情况。
  2. 独立命令应该有自己的进程块。 我们称之为隔离,属于容错的范畴。

Fork(复刻/分叉)

为了能够避免这种情况,我们使用系统调用 fork。 我原以为自己理解 fork,直到用它写了四行代码。

fork 创建当前进程的副本。 该副本称为 child,系统中的每个进程都有与之相关联的唯一进程标识(pid)。 我们来看看下面的代码:

fork.c

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>

int
main() {
pid_t child_pid = fork();

// The child process
if (child_pid == 0) {
printf("### Child ###\nCurrent PID: %d and Child PID: %d\n",
getpid(), child_pid);
} else {
printf("### Parent ###\nCurrent PID: %d and Child PID: %d\n",
getpid(), child_pid);
}

return 0;
}

fork 系统调用返回两次,每个进程一次。 起初听起来与直觉相反。 那就让我们来看看在底层发生的事情。

  1. 通过调用 fork,我们在程序中创建一个新的分支。 这与传统的 if-else 分支不同。 fork 创建一个当前进程的副本,并创建一个新的进程。 结束的系统调用返回了子进程的进程 ID。

  2. fork 调用成功之后,子进程和父进程(我们代码的主线程)同时运行。

为了让您更好地了解程序流程,请查看此图:

fork

fork() 创建一个新的子进程,但与此同时,父进程的执行并不停止。 子进程开始并完成执行的过程,独立于父进程的执行,反之亦然。

在我们进一步进行之前快速声明一下,getpid 系统调用返回当前的进程 id。

如果编译并执行代码,您将得到类似于以下内容的输出:

### Parent ###
Current PID: 85247 and Child PID: 85248
### Child ###
Current PID: 85248 and Child PID: 0

### Parent ### 下的块中,当前进程 ID 为 85247,子进程的为 85248。 需要注意的是子进程的 pid 比父进程大,这意味着子进程是在父进程之后创建的。

### Child ### 下的块中,当前进程 ID 为 85248,这与前一个块中的子进程的 pid 相同。 但是,这里子进程的 pid 是 0

实际数字在每次执行时可能有所不同。

当在 代码第 9 行 已经明确地为 child_pid 赋值后,child_pid 在同一个执行流程中怎么能够获取到两个不同的值?有这种想法情有可原。 然而,记住,调用 fork 创建出了一个与当前进程相同的新进程。 因此,在父进程中,child_pid 是刚刚创建的子进程的实际值,子进程本身没有自己的子进程,结果 child_pid 的值为 0

因此,我们从第 12 行到第 16 行定义的 if-else 块是必需的,用来控制在子代与父级分别执行的代码。 当 child_pid0 时,代码块将在子进程下执行,而 else 块将在父进程下执行。 块被执行的顺序无法确定,取决于操作系统的调度器。

确定性简介

让我来介绍一下 sleep 系统调用。 引用 linux 手册:

sleep – suspend execution for an interval of time

时间间隔以秒为单位。

让我们给父进程添加一个 sleep(1) 调用,在代码的 else 块:

sleep_parent.c

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>

int
main() {
pid_t child_pid = fork();

// The child process
if (child_pid == 0) {
printf("### Child ###\nCurrent PID: %d and Child PID: %d\n",
getpid(), child_pid);
} else {
sleep(1); // Sleep for one second
printf("### Parent ###\nCurrent PID: %d and Child PID: %d\n",
getpid(), child_pid);
}

return 0;
}

而执行此操作时,输出将类似于:

### Child ###
Current PID: 89743 and Child PID: 0

and after a span of 1 second, you would see

### Parent ###
Current PID: 89742 and Child PID: 89743

每次执行代码时,都会看到相同的行为。 这是因为我们在父进程中执行了阻塞式的 sleep 调用, 于此同时操作系统调度器寻找到空闲 CPU 时间片执行子进程。

类似地,如果把 sleep(1) 调用加到子进程,即代码的 if 块,你会立即注意到这个父程序块的输出显示在控制台。 您也会注意到程序已经终止。 而子块的输出被转储到 stdout。 类似于:

$ 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

这段程序的源码在 sleep_child.c.

这是因为父进程在 printf 语句之后无事可做,被终止。 然而,子进程先在 sleep 调用中被阻塞一秒钟,再执行 printf 语句。

确定性的正确方式

然而,使用 sleep 来控制你的进程执行流程并不是最好的方法, 因为如果你做一次 n秒sleep 调用:

  1. 如何保证无论你等待任何操作,都能在这 n秒 内完成执行。
  2. 如果你所等待的完成时间比 n秒 早很多,怎么办? 在这种情况下是不必要的等待。

一个更好的方法是使用 wait 系统调用(或变体之一)。 我们来使用 waitpid 系统调用。 它需要以下参数:

  1. 程序所等待进程的进程ID。
  2. 一个用于填充进程终止方式信息的变量。
  3. 可选标志位,定制 waitpid 的行为

wait.c

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>

int
main() {
pid_t child_pid;
pid_t wait_result;
int stat_loc;

child_pid = fork();

// The child process
if (child_pid == 0) {
printf("### Child ###\nCurrent PID: %d and Child PID: %d\n",
getpid(), child_pid);
sleep(1); // Sleep for one second
} else {
wait_result = waitpid(child_pid, &stat_loc, WUNTRACED);
printf("### Parent ###\nCurrent PID: %d and Child PID: %d\n",
getpid(), child_pid);
}

return 0;
}

当执行这个程序,你会注意到子块立即打印出来然后等待一个短暂的时刻(我们把 sleep 添加在 printf 后)。 父进程等待子进程执行完成后,它可以自由地执行自己的命令。

以上是第一部分。本文包含的所有代码都可以参看这里。 在下一篇文章中,我们将探讨如何从用户输入读取命令并执行。 敬请关注。

致谢

感谢 Saul Pwanson 帮助我理解 fork 的行为和 Jaseem Abid 帮助阅读草稿并提出修改建议。

参考资料


公众号推荐

知识分享行动
每天 10:24
只聊技术细节
扫码立即参与
知识分享行动