Shell Lab的任務為實現一個帶有作業控制的簡單Shell，需要對異常控制流特別是信號有比較好的理解才能完成。需要詳細閱讀CS：APP第八章異常控制流並理解所有例程。
Slides下載：https://www.cs.cmu.edu/afs/cs/academic/class/15213-f21/www/schedule.html
Lab主頁：http://csapp.cs.cmu.edu/3e/labs.html
完整源碼：https://github.com/zhangyi1357/CSAPP-Labs/blob/main/shlab-handout/tsh.c
示例程序分析
首先可以參考課本上給出的不帶作業控制的Shell的代碼。
/* $begin shellmain */
#include "csapp.h"
#define MAXARGS 128
/* Function prototypes */
void eval(char* cmdline);
int parseline(char* buf, char** argv); // implementation omitted
int builtin_command(char** argv);
int main()
{
char cmdline[MAXLINE]; /* Command line */
while (1) {
/* Read */
printf("> ");
Fgets(cmdline, MAXLINE, stdin);
if (feof(stdin))
exit(0);
/* Evaluate */
eval(cmdline);
}
}
/* $end shellmain */
/* $begin eval */
/* eval - Evaluate a command line */
void eval(char* cmdline)
{
char* argv[MAXARGS]; /* Argument list execve() */
char buf[MAXLINE]; /* Holds modified command line */
int bg; /* Should the job run in bg or fg? */
pid_t pid; /* Process id */
strcpy(buf, cmdline);
bg = parseline(buf, argv);
if (argv[0] == NULL)
return; /* Ignore empty lines */
if (!builtin_command(argv)) {
if ((pid = Fork()) == 0) { /* Child runs user job */
if (execve(argv[0], argv, environ) < 0) {
printf("%s: Command not found.\n", argv[0]);
exit(0);
}
}
/* Parent waits for foreground job to terminate */
if (!bg) {
int status;
if (waitpid(pid, &status, 0) < 0)
unix_error("waitfg: waitpid error");
}
else
printf("%d %s", pid, cmdline);
}
return;
}
/* If first arg is a builtin command, run it and return true */
int builtin_command(char** argv)
{
if (!strcmp(argv[0], "quit")) /* quit command */
exit(0);
if (!strcmp(argv[0], "&")) /* Ignore singleton & */
return 1;
return 0; /* Not a builtin command */
}
/* $end eval */
main函數中負責讀入cmdline發送給eval函數進行處理，如果發現讀入EOF則退出程序。
eval函數的主要流程為使用parseline函數將cmdline解析為argv數組，然后發送到builtin_command函數進行處理，如果內置命令則在此函數內直接處理並返回1，反之則不處理返回0交還控制權到eval函數。
接下來eval函數運用fork-execve慣用法執行cmdline，父進程根據cmdline為前台或后台程序做不同處理，前台程序則等待其子進程執行完畢，后台程序則直接輸出子進程PID和命令，而后返回控制權給main函數繼續讀入新的cmdline。
Shell示例程序流程簡化圖解
作業控制實現思路
作業控制實際上就是維護一個jobs數組，新建一個任務時將其加入到數組之中，任務執行完畢由父進程的中斷處理程序將該任務刪除。另外還需要在適當的時候將任務的狀態進行調整，中斷處理程序。
具體到本Lab，需要做的就是在eval函數中添加任務，然后在sigchld_handler處理程序中回收子進程並刪除相應任務，還有sigint_handler和sigstop_handler中改變任務的狀態。
值得注意的是，為了避免race，需要在fork之前阻塞SIGCHLD信號，然后完成fork，在父進程中添加該任務之后再解除SIGCHLD信號的阻塞，以免發生刪除任務發生在添加任務之前的情況。另外，由於子進程會繼承父進程的阻塞，所以在execve之前需要取消對SIGCHLD信號的阻塞。
本Lab對於jobs數組的各種操作的實現都已經提供，只需要調用相應api即可，無需自己實現。
Lab 實現
本Lab建議以trace[n].txt文件為指導，逐步實現其功能。
trace01 EOF
trace01要求在讀取EOF信號時退出Shell，在初始代碼中該功能已經實現。
if ((fgets(cmdline, MAXLINE, stdin) == NULL) && ferror(stdin))
app_error("fgets error");
if (feof(stdin)) { /* End of file (ctrl-d) */
fflush(stdout);
exit(0);
}
trace02 quit
trace02則測試內置的quit命令，課本示例中也已經進行實現。
// quit command
if (!strcmp(argv[0], "quit"))
exit(0);
trace03~04 前后台程序+作業控制
trace03為測試前台運行quit，trace04為測試后台運行myspin程序。
主要需要解析命令行末尾的&，並針對前后台運行進行不同的處理。其中parseline函數已經幫助解析了命令行末尾&，所以只需要對前后台程序進行不同處理即可。
如前所述，前台則需等待執行完畢，后台則只需要將其添加到jobs即可。
首先在eval函數中實現添加作業的代碼以及前后台程序處理。特別注意這里對SIGCHLD信號在適當的地方進行了阻塞和解除阻塞。另外進行阻塞所使用的函數是包裹了錯誤處理的系統調用。具體實現參考源代碼。
Sigemptyset(&mask);
Sigaddset(&mask, SIGCHLD);
if (!builtin_cmd(argv)) {
Sigprocmask(SIG_BLOCK, &mask, &prev); // block SIGCHLD
if ((pid = fork()) == 0) { /* Child runs user job */
Sigprocmask(SIG_UNBLOCK, &prev, NULL); // unblock SIGCHLD
if (execve(argv[0], argv, environ) < 0) {
printf("%s: Command not found.\n", argv[0]);
exit(0);
}
}
addjob(jobs, pid, bg ? BG : FG, cmdline);
Sigprocmask(SIG_SETMASK, &prev, NULL); // unblock SIGCHLD
對於后台程序按照給出的對照程序（tshref）輸出其相應的任務號，PID以及命令行。
對於前台程序處理則依賴於sigchld_handler信號處理程序，接收到其終止信號時將其移出jobs數組。於是可以通過判斷fgpid函數返回當前前台程序PID是否等於子進程的PID來判斷是否運行完畢。
// code in evalvoid sigchld_handler(int sig)
{
int old_errno = errno;
pid_t pid;
int status;
while ((pid = waitpid(-1, &status, WNOHANG | WUNTRACED)) > 0) {
if (WIFEXITED(status)) {
deletejob(jobs, pid);
}
}
if (errno != ECHILD)
unix_error("waitpid_error");
errno = old_errno;
return;
}
/* Parent waits for foreground job to terminate */
if (!bg) // foreground
waitfg(pid);
else // background
printf("[%d] (%d) %s", pid2jid(pid), pid, cmdline);
// waitfg function
void waitfg(pid_t pid)
{
while (pid == fgpid(jobs))
sleep(0);
return;
}
具體到SIGCHLD的處理，需要在其中使用waitpid回收所有的終止的子進程。其中WNOHANG | WUNTRACED代表立即返回，如果有子進程停止或終止則返回其PID，用while循環包起來確保一次盡可能將所有已經終止或停止的子進程回收。
void sigchld_handler(int sig)
{
int old_errno = errno;
pid_t pid;
int status;
while ((pid = waitpid(-1, &status, WNOHANG | WUNTRACED)) > 0) {
if (WIFEXITED(status)) {
deletejob(jobs, pid);
}
}
errno = old_errno;
return;
}
trace05 jobs
trace05為實現jobs功能，在完成了前面的基本的作業控制后非常簡單，只需要在builtin_cmd中調用起始代碼已經提供了的listjobs函數即可
// jobs command
if (!strcmp(argv[0], "jobs")) {
listjobs(jobs);
return 1;
}
trace06~08 SIGINT和SIGSTOP
這三個trace是測試SIGINT和SIGSTOP能否被正確處理，值得注意的是，前台程序收到這兩個信號都應該將其發送給其所在組的所有程序，而不是本身。
具體發送於是sigint和sigstop的任務非常簡單，即收到信號后轉手給所在的整個組發一下信號，給整個組發信號只需要給kill的pid為負數即可。
void sigint_handler(int sig)
{
int olderrno = errno;
// get the foreground job pid
pid_t fg_pid;
fg_pid = fgpid(jobs);
// send the signal to the group in the foreground
kill(-fg_pid, sig);
errno = olderrno;
return;
}
void sigtstp_handler(int sig)
{
int olderrno = errno;
// get the foreground job pid
pid_t fg_pid;
fg_pid = fgpid(jobs);
// send the signal to the group in the foreground
kill(-fg_pid, sig);
errno = olderrno;
return;
}
具體處理這兩個的信號在sigchld_hanlder里，sigchld_handler里收到子進程終止或停止的消息后給出對應的輸出然后改變其狀態，對於終止的進程就在jobs里將其刪除，對於停止的進程則設置其state為ST。值得注意的是在信號處理程序里不可以使用異步信號不安全的printf，我這里使用的是csapp.h里給出的Sio包。
while ((pid = waitpid(-1, &status, WNOHANG | WUNTRACED)) > 0) {
if (WIFEXITED(status)) {
deletejob(jobs, pid);
}
if (WIFSIGNALED(status)) { // terminated by ctrl-c
Sio_puts("Job [");
Sio_putl(pid2jid(pid));
Sio_puts("] (");
Sio_putl(pid);
Sio_puts(") terminated by signal ");
Sio_putl(WTERMSIG(status));
Sio_puts("\n");
deletejob(jobs, pid);
}
if (WIFSTOPPED(status)) { // stopped by ctrl-z
Sio_puts("Job [");
Sio_putl(pid2jid(pid));
Sio_puts("] (");
Sio_putl(pid);
Sio_puts(") stopped by signal ");
Sio_putl(WSTOPSIG(status));
Sio_puts("\n");
getjobpid(jobs, pid)->state = ST;
}
}
此外還有非常重要的一點就是，我們的shell程序本身是所有子進程的父進程，那么就會分配在同一個組里，終止子進程所在組會導致shell程序本身也被終止，這里的解決辦法是給子進程設置一個單獨的組，只需要添加在fork和exec之間。
if ((pid = fork()) == 0) { /* Child runs user job */
setpgid(0, 0);
Sigprocmask(SIG_UNBLOCK, &prev, NULL); // unblock SIGCHLD
if (execve(argv[0], argv, environ) < 0) {
printf("%s: Command not found.\n", argv[0]);
exit(0);
}
}
trace09~10 bg 和 fg
trace09是關於內置命令bg和fg的，其使用方法為
$ fg/bg <job>
其中
首先在builtin_cmd函數中判斷是否為bg或fg，如果是則執行相應的操作。
// bg or fg command
if (!strcmp(argv[0], "bg") || !strcmp(argv[0], "fg")) {
do_bgfg(argv);
return 1;
}
具體的do_bgfg函數首先根據有無%判斷是PID還是JID，然后取得該job指針，然后給其所在進程組發送SIGCONT，最后根據其是fg還是bg來做出與eval中類似的行為。
void do_bgfg(char** argv)
{
struct job_t* job;
char* id = argv[1];
if (id[0] == '%') { // jid
job = getjobjid(jobs, atoi(id + 1));
}
else { // pid
job = getjobpid(jobs, atoi(id));
}
kill(-(job->pid), SIGCONT);
if (!strcmp(argv[0], "fg")) { // fg command
job->state = FG;
// wait for the job to terminate
waitfg(job->pid);
}
else { // bg command
job->state = BG;
printf("[%d] (%d) %s", pid2jid(job->pid), job->pid, job->cmdline);
}
return;
}
trace11~13 Tests for SIGSTOP & SIGINT & fg/bg
trace11.txt - Forward SIGINT to every process in foreground process group
trace12.txt - Forward SIGTSTP to every process in foreground process group
trace13.txt - Restart every stopped process in process group
這三個traces主要測試前面是否正確實現了SIGSTOP和SIGINT的處理程序，以及fg/bg的實現，如果沒有將進程組中的所有程序一並處理這里可能會出現錯誤，前面的實現中已經處理了這些情況，這里不再贅述。
trace14 Error handling
這個測試需要對fg和bg的輸入參數進行一些錯誤處理，例如沒有參數或參數非數值或所選任務或進程不存在等。在do_bgfg函數中進行相應處理即可。
void do_bgfg(char** argv)
{
struct job_t* job;
char* id = argv[1];
// no argument for bg/fg
if (id == NULL)
{
printf("%s command requires PID or %%jobid argument\n", argv[0]);
return;
}
if (id[0] == '%') { // jid
if (!checkNum(id + 1)) {
printf("%s: argument must be a PID or %%jobid\n", argv[0]);
return;
}
int jid = atoi(id + 1);
job = getjobjid(jobs, jid);
if (job == NULL) {
printf("%%%d: No such job\n", jid);
return;
}
}
else { // pid
if (!checkNum(id)) {
printf("%s: argument must be a PID or %%jobid\n", argv[0]);
return;
}
int pid = atoi(id);
job = getjobpid(jobs, pid);
if (job == NULL) {
printf("(%d): No such process\n", pid);
return;
}
}
kill(-(job->pid), SIGCONT);
if (!strcmp(argv[0], "fg")) { // fg command
job->state = FG;
// wait for the job to terminate
waitfg(job->pid);
}
else { // bg command
job->state = BG;
printf("[%d] (%d) %s", pid2jid(job->pid), job->pid, job->cmdline);
}
return;
}
trace15~16
trace15.txt - Putting it all together
trace16.txt - Tests whether the shell can handle SIGTSTP and SIGINT signals that come from other processes instead of the terminal.
對前面的程序進行的一些綜合性測試，已經通過。
exit fix
參考exit與_exit的區別，可以知道在fork出的child中要用_exit來退出，否則exit會調用用atexit注冊的函數並刷新父進程的緩沖區。一般來說在一個main函數中只調用一次exit或return。
if ((pid = fork()) == 0) { /* Child runs user job */
setpgid(0, 0);
Sigprocmask(SIG_UNBLOCK, &prev, NULL); // unblock SIGCHLD
if (execve(argv[0], argv, environ) < 0) {
printf("%s: Command not found.\n", argv[0]);
_exit(1);
}
}
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