A Tiny Shell——CSAPP之Shell Lab

利用Linux信号实现一个简单的Shell。


前言

很恶心,代码写完了,都过了。不过有的测试用例rtest卡了,认为是修改了,重下一遍,结果不小心覆盖了,git上传也不完整。。靠大脑cache来总结吧

信号

信号类似于一种中断,或者可以称之为软件中断。先来总结一下关于异常控制流ECF(Exception Control Flow)的分类吧。

异常控制流,或者称之为异常,这是广义的异常,只要不是正常的逻辑控制流,就是异常。

异常分为同步异常和异步异常。异步异常就是中断(分为硬件中断和软件中断),同步异常就是狭义的异常(包括陷阱trap,错误fault,和终止abort)

异常分类

  1. 同步的
    1. 陷阱trap,有目的的。eg:system call
    2. 错误fault,无目的的,有可能恢复。eg:pagefault
    3. 终止abort,无目的的,不能恢复。eg:非法指令
  2. 异步的
    1. 硬件中断
    2. 软件中断
      1. 信号

信号处理执行过程

几个标志字:
pending:delivered信号,等待被处理
blocked:被阻塞的信号,可以加入到pending里,但不会被receive

信号处理分为几个阶段:

  1. deliver:放到pending里
  2. receive:Handler处理

信号处理过程:
假设内核已经从一个异常处理程序中返回并且要切换到进程P:

  1. 内核计算进程P的信号状态:pending_unblocked_signals=pending&~unblocked
  2. 如果pending_unblocked_signals为0则直接切换到进程P
  3. 如果不为0则就依次强制进程P处理信号,直到为0(信号处理可能被其他信号中断)

waitpid (pid_t pid, int *statusp, int options)函数详解

  1. pid>0等待一个特定pid的进程,pid=-1,等待所有子进程,(还支持其他类型等待集合,比如Unix进程组,在此不做讨论)
  2. status用于保存等待返回进程的状态
  3. options有三个。WNOHANG——等待集合中没有进程终止则立即返回,WUNTRACED——挂起调用进程直到等待进程终止或停止,WCONTINUED——挂起调用进程直到等待进程终止或被停止的进程收到SIGCONT重新执行

关键点

写一下关键的地方吧。按照测试来写,具体能容可能由测试来展开。

test01

CTRL+D退出,自带

test02

内置quit命令。
判断使用已定义好的builtin_cmd函数,匹配quit字符串返回1,不是内置则返回0
首先在eval函数里判断,如果是内置指令则单独执行,无需fork。单独执行时直接exit。

test03

运行一个前台进程。

这说明不是一个内置指令了,那就需要fork和execve

这时候需要注意几点:

  1. 因为这时候要addjob,有可能会产生deletejob发生在addjob之前。所以要在exceve之前阻塞SIGCHLD信号来避免此问题发生。
  2. 利用parseline函数返回值来判断是前台还是后台,如果是前台,tsh需要挂起(while(flag) suspend(&mask))直到前台程序结束或停止。
  3. 判断前台程序结束使用一个标志位,在SIGCHLD Handler里waitpid时判断如果当前进程是fg的话就修改标志位flag。此时因为received一个SIGCHLD信号,suspend()函数会被触发结束挂起,此时发现循环条件不满足,这就取消挂起了。

test04

运行一个后台进程。

与前台程序相反:

  1. 通过parseline函数返回值判断是bg,则tsh无需挂起
  2. 与前台类似,exceve之前也要block SIGCHLD信号,并将job设为BG

test 05

运行多个后台进程,并使用jobs命令打印当前jobs

  1. jobs是个内置命令,在builtin_cmd函数里面匹配jobs字符串调用已经写好的listjobs函数并返回1

test06

运行一个前台进程,发送一个SIGINT信号给此进程(按下CTRL+C

  1. 首先需要tsh进程接受到SIGINT信号。tsh的SIGINT信号的处理程序源文件中已经给注册(signal)了,我们只需要填写完成信号处理函数就OK了
  2. tsh接受到SIGINT信号,如果此时有前台进程则发送给前台进程及其后代进程(后续再说其后代进程的处理),发送使用kill函数,pid通过fgpid函数获得
  3. 此时前台进程会被SIGINT信号默认结束进程。这会deliver给tsh进程一个SIGCHLD信号,通过WIFSIGNALED(status)来判断此进程是否由信号终止的,status有waitpid获取(后续讲),这时就可以打印了,通过WTERMSIG(status)来获取引发终止的信号

test07

确认只发送SIGINT信号给前台程序,因为我们通过fgpid获取的进程id,所以肯定是只发送信号给前台进程了。直接过

test08

发送一个SIGTSTP信号给前台程序。和SIGINT类似,不过有点区别

  1. tsh接受到SIGTSTP信号处理过程是一样的,发送给fgpid获取的进程。
  2. SIGTSTP信号被子进程received之后,子进程默认停止。父进程被delivered一个SIGCHLD信号,在SIGCHLD Handler里需要使用WIFSTOPPED(status)函数来判断当前进程是否被停止,如果停止则设置state为ST,并打印。此时listjobs则会看到状态发生了改变

test09

内置bg %jid(or pid)命令,作用是在后台运行一个已停止的进程。
和其他内置命令一样,不过需要额外解析jid或者pid,然后需要发送一个SIGCONT信号

  1. 关于tsh进程发起bg %jid命令,tsh进程需要发送SIGCONT信号给对应的job进程,需要等待job进程接受到SIGCONT信号并开始执行,然后tsh进程SIGCHLD Handler处理。

    waitpid函数需要添加WCONTINUED的选项来拿到此进程。

  2. tsh在SIGCHLD Handler里需要将当前进程置为BG

test10

内置fg %jid(or pid)命令,作用是在前台运行一个已停止的进程。

  1. 和bg命令类似,需要解析jid和发送SIGCONT信号
  2. fg需要将目标进程在前台执行,这就需要tsh进程挂起,和前台进程类似

test11

发送SIGINT信号给前台进程组里的所有进程。

  1. 默认情况下,fork的子进程是和父进程同一个进程组的,进程组由pgid唯一标识
  2. 前台进程组是由exceve执行的进程及其后代进程组成的,只需要对exceve进程设置gpid即可,通过setgpid(pid,pgid)函数来设置,pid=0则为当前进程设置,pgid=0则使用当前进程pid来作为pgid。我们使用当前进程pid作为pgid,后代进程和此进程是相同的pgid
  3. 使用kill(pid,signum)来发送信号,当pid<0时则把pid的绝对值当做pgid,将signum对应的信号发送给pgid的所有进程中

test12

发送SIGTSTP信号给前台进程组里的所有进程。和test11类似,不赘述

test13

发送SIGCONT信号给后台pid对应停止进程的进程组里的所有进程。和test11类似,不赘述

test14

简单错误处理,比如fg一个不存在的进程或进程组,或缺少参数。进行字符串匹配即可,不赘述。

test15

Putting it all together

这个出了点问题

  1. bg %1没打印东西,而jobs命令后将bg %1的东西打印了。解决办法,输出缓冲区的内容没有输出到设备,使用fflush(stdout)函数。
  2. tsh进程挂起标志位flag的设置,只需要在waitpid当前进程是FG进程并且停止WIFSTOPPED(status)==1或终止WIFEXITED(status)==1状态才结束挂起。

test16

能够处理来自其他进程的信号,毫无疑问可以。

总结

OK,结束了。本次实验主要是熟悉了信号的使用,包括如何定义信号处理函数,如何响应子进程状态的改变,如何同步信号引发的一些问题等。另外也大体了解了shell是个什么东西,6.828再见。