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Shell Lab是CMU計算機系統入門課程的一個實驗。在這個實驗里你需要實現一個shell，shell是用戶與計算機的交互界面。普通意義上的shell就是可以接受用戶輸入命令的程序。它之所以被稱作shell是因為它隱藏了操作系統低層的細節。完成Shell Lab你會對shell有更加深入的認識，並熟悉Linux的多進程編程方法。
編程實現是一種絕佳的學習方式，然而就像這個實驗一樣，很多很好的課程作業都隱藏在互聯網當中。大多數人難以通過這種方式來學習，這篇文章的目的接就是介紹給你這個絕佳地學習Linux編程的方式，讓這個學習的過程變得稍微簡單一點。
項目實現的shell
Shell介紹
Shell會打印出提示符，等待來自stdlin的輸入，根據輸入執行特定地操作，這樣就產生了一種錯覺，似乎輸入的文字（命令行）控制了程序的執行。
命令行是一串ASCII字符由空格分隔。字符串的第一個單詞是一個可執行程序，或者是shell的內置命令。命令行的其余部分是命令的參數。如果第一個單詞是內置命令，shell會立即在當前進程中執行。否則，shell會新建一個子進程，然后再子進程中執行程序。新建的子進程又叫做作業。通常，作業可以由Unix管道連接的多個子進程組成。
如果命令行以＆符號結尾，那么作業將在后台運行，這意味着在打印提示符並等待下一個命令之前，shell不會等待作業終止。 否則，作業在前台運行，這意味着shell在作業終止前不會執行下一條命令行。 因此，在任何時候，最多可以在一個作業中運行在前台。 但是，任意數量的作業可以在后台運行。例如，鍵入命令行：
sh> jobs
會讓shell運行內置命令jobs。鍵入命令行
sh> /bin/ls -l -d
會導致shell在前台運行ls程序。根據約定，shell會執行程序的main函數
int main(int argc, char *argv[])
argc和argv會接收到下面的值：
argc == 3,
argv[0] == ‘‘/bin/ls’’,
argv[1]== ‘‘-l’’,
argv[2]== ‘‘-d’’.
下面以&結尾的命令行會在后台執行ls程序
sh> /bin/ls -l -d &
Unix shell支持作業控制的概念，允許用戶在前台和后台之間來回移動作業，並更改進程的狀態（運行，停止或終止）。在作業運行時，鍵入ctrl-c會將SIGINT信號傳遞到前台作業中的每個進程。SIGINT的默認動作是終止進程。類似地，鍵入ctrl-z會導致SIGTSTP信號傳遞給所有前台進程。 SIGTSTP的默認操作是停止進程，直到它被SIGCONT信號喚醒為止。Unix shell還提供支持作業控制的各種內置命令。例如：
jobs：列出運行和停止的后台作業。
bg <job>：將停止的后台作業更改為正在運行的后台作業。
fg <job>：將停止或運行的后台作業更改為在前台運行。
kill <job>：終止作業。
實驗的流程
實驗和配套的教材《深入理解計算機系統》是緊密相關的，在網絡上還可以找到CMU使用這本教材的教學視頻。我沒有閱讀教材，只是把對應的視頻看了一遍。
實驗提供了初始文件，包括很多輔助函數，這樣你就只需要實現shell最為核心的部分。
在做實驗之前，需要閱讀實驗說明，對實驗的整體有一個初步的認識。也就是說你需要了解你需要實現什么功能，大體會需要什么樣的函數。
你需要編寫的文件是tsh.c，因此需要把這個文件里的程序閱讀一遍，了解提供了哪些輔助函數。
此外實驗還提供了測試用例以及標准的shell實現，這樣你就可以對比你的實現結果是否與標准的結果一致。這是一個絕佳的調試方法，也是攻破這個實驗的一條路徑，先解決第1個測試用例，然后第2個……這樣你就不用擔心無從下手了。
測試函數調用了myint、myspin和mysplit程序，因此你也需要閱讀一遍。
難點
編程需要遵循良好的編程規范，其中一個就是檢查函數的返回值，通常系統函數會使用返回值0或-1表示執行錯誤。雖然大多數情況下都不會出現問題，但是一旦出錯檢查返回值能夠讓你快速發現錯誤的源頭。在csapp.h頭文件里，很多系統函數有一個頭文件大寫的函數，與原有的系統函數擁有同樣的參數，但是合理地檢查了返回值。
在fork新的進程時，有可能發生競爭條件。子進程很快結束了運行，發送SIGCHLD給主進程，進而回收子進程同時從作業列表中刪除該作業。但是此時，主進程還沒來得及將作業加入作業列表。解決方案是在主進程將作業加入作業列表之前屏蔽該信號，完成后再恢復該信號。需要注意的是子進程會繼承屏蔽的信號，因此在子進程也需要恢復。
另一個難點是SIGCHLD的信號處理函數，如果你沒有正確處理，有可能會無法通過最后一個測試用例。
問題之一：有可能多個子進程結束，主進程卻只接收到一次信號。主進程無法知道有多少個子進程結束了。
解決方案：將waitpid置於while循環中，並傳入參數WNOHANG。參數WNOHANG表示，如果沒有需要回收的進程了，會返回0，如果回收了子進程會返回子進程的pid，通過判斷返回值就可以結束循環。
問題之二：waitpid默認只有當正常結束才會返回，如果是被其它進程kill或停止是不會返回的，這樣shell就無從知曉子進程是否結束了。
解決方案：傳入WUNTRACED參數給waitpid。這樣子進程正常結束、被kill或者是停止都會返回。我們就需要一種方式判斷子進程到底是由何種方式結束的，這個信息可以在waitpid的status參數中得到。status是一個整數，不同的值表示不同的返回狀態，有一系列的宏可以判斷是否status是某種狀態。比如WIFEXITED(status)可以判斷是否正常結束，WIFSIGNALED(status)可以判斷是否被終止，WIFSTOPPED是否被停止。所有的信息都可以在man頁面找到。
實驗的說明里提到，前台進程與后台進程的唯一區別是shell會等待前台進程，因此前台進程只有一個。waitfg實現了這一等待的功能。最顯而易見的選擇是用waitpid等待前台進程的結束。那么你需要像SIGCHLD信號處理函數那樣考慮各種復雜的進程結束條件，因此這不是最佳選擇。最佳選擇是使用sleep函數，只要前台進程仍然是需要等待的進程，主進程就sleep。那么sleep多長時間呢，sleep(0)是最佳的選擇，0表示進程會讓其它進程來執行，如果沒有其它的進程在執行會繼續執行。這樣總會有進程再執行，而不會出現CPU空轉的情況。
從實驗說開去
從實驗中我們明確區分了兩類命令：內置命令和可執行程序。內置命令直接執行，不需要進行作業管理，可執行程序需要創建一個可執行程序來執行。那么對於一個真實的shell來說，有哪些內置命令。下面列出來bash的部分內置命令。shell內置命令大致可以分為4類，通過type命令可以顯示命令的類型，type自己就是一個內置命令：
A.2.1 bash內置命令 .：執行當前進程環境中的程序。同source。 . file：dot命令從文件file中讀取命令並執行。 : 空操作，返回退出狀態0。 alias：顯示和創建已有命令的別名。 bg：把作業放到后台。 bind：顯示當前關鍵字與函數的綁定情況，或將關鍵字與readline函數或宏進行綁定。 break：從最內層循環跳出。 builtin [sh-builtin [args]]：運行一個內置Shell命令，並傳送參數，返回退出狀態0。當一個函數與一個內置命令同名時，該命令將很有用。 cd [arg]：改變目錄，如果不帶參數，則回到主目錄，帶參數則切換到參數所指的目錄。 command comand [arg]：即使有同名函數，仍然執行該命令。也就是說，跳過函數查找。 declare [var]：顯示所有變量，或用可選屬性聲明變量。 dirs：顯示當前記錄的目錄（pushd的結果）。 disown：從作業表中刪除一個活動作業。 echo [args]：顯示args並換行。 enable：啟用或禁用Shell內置的命令。 eval [args]：把args讀入Shell，並執行產生的命令。 exec command：運行命令，替換掉當前Shell。 exit [n]：以狀態n退出Shell。 export [var]：使變量可被子Shell識別。 fc：歷史的修改命令，用於編輯歷史命令。 fg：把后台作業放到前台。 getopts：解析並處理命令行選項。 hash：控制用於加速命令查找的內部哈希表。 help [command]：顯示關於內置命令的有用信息。如果指定了一個命令，則將顯示該命令的詳細信息。 history：顯示帶行號的命令歷史列表。 jobs：顯示放到后台的作業。 kill [-signal process]：向由PID號或作業號指定的進程發送信號。輸入kill-l查看信號列表。 let：用來計算算術表達式的值，並把算術運算的結果賦給變量。 local：用在函數中，把變量的作用域限制在函數內部。 logout：退出登錄Shell。 popd：從目錄棧中刪除項。 pushd：向目錄棧中增加項。 pwd：打印出當前的工作目錄。 read [var]：從標准輸入讀取一行，保存到變量var中。 readonly [var]：將變量var設為只讀，不允許重置該變量。 return [n]：從函數中退出，n是指定給return命令的退出狀態值。 set：設置選項和位置參量。 shift [n]：將位置參量左移n次。 stop pid：暫停第pid號進程的運行。 suspend：終止當前Shell的運行（對登錄Shell無效）。 test：檢查文件類型，並計算條件表達式。 times：顯示由當前Shell啟動的進程運行所累計用戶時間和系統時間。 trap [arg] [n]：當Shell收到信號n（n為0、1、2或15）時，執行arg。 type [command]：顯示命令的類型，例如：pwd是Shell的一個內置命令。 typeset：同declare。設置變量並賦予其屬性。 ulimit：顯示或設置進程可用資源的最大限額。 umask [八進制數字]：用戶文件關於屬主、屬組和其他用戶的創建模式掩碼。 unalias：取消所有的命令別名設置。 unset [name]：取消指定變量的值或函數的定義。 wait [pid#n]：等待pid號為n的后台進程結束，並報告它的結束狀態。
處理作業：bg fg jobs disown kill wait stop
文件系統：cd pwd dirs pushd popd
變量相關：let local readonly printf var declare
命令相關：history type alias help unalias hash
函數相關：return shift
用實現的shell執行程序，必須給出程序的完整路徑，比如需要執行ls需要輸入/bin/ls。那么bash是如何確定該執行那個程序的呢？下面給出的兩篇文章解釋得非常清楚。shell會以一定的順序搜索命令，如果找到了命令就執行，沒找到會返回錯誤信息。
shell搜索變量的順序
- ALIASES
- Shell函數
- 內置命令
- HASH表
- PATH變量
https://www.cyberciti.biz/tips/how-linux-or-unix-understand-which-program-to-run-part-i.html
https://www.cyberciti.biz/tips/an-example-how-shell-understand-which-program-to-run-part-ii.html