CSAPP LAB7 shell-lab

实验题目：shell-lab

实验目的： 在本次实验中，我们需要构建一个简单的类Unix/Linux Shell。基于已经提供的“微Shell”框架tsh.c，完成部分函数和信号处理函数的编写工作。使用sdriver.pl可以评估你所完成的shell的相关功能。

实验环境： Ubuntu12.04

实验内容及操作步骤： 题目解读 在本次实验中，我们需要做的就是填充如下几个函数的内容： eval: 解析和解释命令行的主要例程。[70行] builtin cmd：识别和解释内置命令：quit、fg、bg和jobs。[25行] do bgfg：实现bg和fg内置命令。[50行] waitfg: 等待前台作业完成。[20行] sigchld handler: 捕获SIGCHILD信号。[80行] sigint handler: 捕获SIGINT (ctrl-c) 信号。[15行] sigtstp handler: 捕获SIGTSTP (ctrl-z) 信号。[15行] 我们的tsh-shell应该有以下功能： 提示应该是字符串“tsh>”。 用户键入的命令行应由名称和零个或多个参数组成，所有参数均由一个或多个空格分隔。如果name是内置命令，那么tsh应该立即处理它，并等待下一个命令行。否则，tsh应该假设name是可执行文件的路径，它在初始子进程的上下文中加载和运行 (在这种情况下，术语job指的是这个初始子进程)。 tsh 不需要支持管道 (|) 或 I/O 重定向（< 和 >）。 键入 ctrl-c (ctrl-z) 应该会导致将 SIGINT (SIGTSTP) 信号发送到当前前台作业，以及该作业的任何后代（例如，它派生的任何子进程）。如果没有前台工作，那么信号应该没有效果。 如果命令行以 & 符号结尾，那么 tsh 应该在后台运行该作业。否则，它应该在前台运行作业。 每个作业都可以通过进程 ID (PID) 或作业 ID (JID) 来标识，这是一个由 tsh 分配的正整数。 JID 应该在命令行上用前缀 '%' 表示。例如，“%5”表示 JID 5，“5”表示 PID 5。（我们为您提供了操作作业列表所需的所有例程。） tsh应该支持以下内置命令: quit命令终止shell。 job命令列出所有后台运行的工作。 bg 命令重新启动<工作>通过发送SIGCONT,然后在后台运行。 参数可以是一个PID或JID。 fg 命令重新启动<工作>通过发送SIGCONT,然后在前台运行它。 参数可以是一个PID或JID。 tsh 应该收获它所有的僵尸孩子。如果任何作业因为接收到它没有捕获的信号而终止，则 tsh 应该识别此事件并打印一条带有作业 PID 和违规信号描述的消息。 如何检查程序： 每一次修改好代码后都需要用make来重新编译更新我们的系统。 文件提供了16个跟踪文件（trace01-16.txt），通过这些文件结合shell驱动程序，我们来测试shell的正确性。编号较低的文件执行非常简单的测试，编号较高的测试执行更复杂的测试。 一些tips: 阅读教科书中第 8 章（异常控制流）的每一个字。 使用跟踪文件来指导您的 shell 的开发。 从 trace01.txt 开始，确保您的 shell 产生与参考 shell 相同的输出。 然后继续跟踪文件 trace02.txt，依此类推。 waitpid、kill、fork、execve、setpgid 和 sigprocmask 函数会派上用场。 waitpid 的 WUNTRACED 和 WNOHANG 选项也很有用。 当您实现信号处理程序时，请确保将 SIGINT 和 SIGTSTP 信号发送到整个前台进程组，在 kill 函数的参数中使用“-pid”而不是“pid”。 sdriver.pl 程序测试此错误。 实验室的一个棘手部分是决定waitfg 和sigchld 处理函数之间的工作分配。 我们推荐以下方法： 在 waitfg 中，围绕 sleep 函数使用busy loop。 在 sigchld 处理程序中，只调用一次 waitpid。 虽然其他解决方案是可能的，例如在 waitfg 和 sigchld 处理程序中调用 waitpid，但这些可能会非常令人困惑。 在处理程序中进行所有收获更简单。 在 eval 中，父级必须在分叉子级之前使用 sigprocmask 阻止 SIGCHLD 信号，然后解除阻塞这些信号，在通过调用 addjob 将子级添加到作业列表后再次使用 sigprocmask。由于子进程继承了父进程的阻塞向量，因此子进程必须确保在执行新程序之前解除阻塞 SIGCHLD 信号。 父级需要以这种方式阻止 SIGCHLD 信号，以避免在父级调用 addjob 之前子级被 sigchld 处理程序收割（并因此从作业列表中删除）的竞争条件。 诸如 more、less、vi 和 emacs 之类的程序在终端设置上会做一些奇怪的事情。 不要从你的 shell 运行这些程序。 坚持使用简单的基于文本的程序，例如 /bin/ls、/bin/ps 和 /bin/echo。 当您从标准Unix shell运行您的shell时，您的shell正在前台进程组中运行。如果您的shell随后创建了一个子进程，则默认情况下，该子进程也将是前台进程组的成员。由于键入ctrl-c会向前台组中的每个进程发送一个SIGINT，因此键入ctrl-c会向您的shell以及您的shell创建的每个进程发送一个SIGINT，这显然是不正确的。 解决方法如下：在fork之后，但在execve之前，子进程应该调用setpgid（0，0），这会将子进程放入一个新的进程组中，其组ID与子进程的PID相同。这将确保前台进程组中只有一个进程，即您的shell。当您键入ctrl-c时，shell应该捕获生成的SIGINT，然后将其转发到相应的前台作业（或者更准确地说，是包含前台作业的进程组）。 准备工作： 先用tar xvf shlab-handout.tar解压压缩包；在tsh.c文件中补充代码；利用make和16个test.txt文件进行测试。 补全函数 1、void eval(char *cmdline)函数 函数功能： 用于评估用户刚输入的命令行。如果用户请求了内置命令（quit，jobs，bg或fg），则立即执行。 否则，fork一个子进程并在子进程的上下文中运行该作业。如果作业在前台运行，等待它终止然后返回。 参数： 形参是用户输入的命令行cmdline 。实参是argv , mask, SIG_UNBLOCK , argv[0] , environ。 代码： void eval(char *cmdline)    {       /* $begin handout */       char *argv[MAXARGS]; /* argv for execve() */       int bg;              /* should the job run in bg or fg? */       pid_t pid;           /* process id */       sigset_t mask;       /* signal mask */          /* Parse command line */       bg = parseline(cmdline, argv);        if (argv[0] == NULL)             return;   /* ignore empty lines */          if (!builtin_cmd(argv)) {   /* 判断是否为内置命令 */            /*            * This is a little tricky. Block SIGCHLD, SIGINT, and SIGTSTP           * signals until we can add the job to the job list. This           * eliminates some nasty races between adding a job to the job           * list and the arrival of SIGCHLD, SIGINT, and SIGTSTP signals.             */              if (sigemptyset(&mask) < 0)//block  mask集合置空               unix_error("sigemptyset error");           if (sigaddset(&mask, SIGCHLD)) //添加SIGCHLD进mask集合               unix_error("sigaddset error");           if (sigaddset(&mask, SIGINT)) //添加SIGINT进集合               unix_error("sigaddset error");           if (sigaddset(&mask, SIGTSTP)) //添加SIGTSTP(来自终端的停止信号)进集合               unix_error("sigaddset error");           if (sigprocmask(SIG_BLOCK, &mask, NULL) < 0)//用mask更新BLOCK               unix_error("sigprocmask error");              /* Create a child process */           if ((pid = fork()) < 0)               unix_error("fork error");                  /*           * Child  process           */              if (pid == 0) {               /* Child unblocks signals */               sigprocmask(SIG_UNBLOCK, &mask, NULL);//用mask删除SIG_BLOCK                  /* Each new job must get a new process group ID                  so that the kernel doesn't send ctrl-c and ctrl-z                 signals to all of the shell's jobs */               if (setpgid(0, 0) < 0) //将创建新的进程组，进程组ID为调用进程ID                   unix_error("setpgid error");                   /* Now load and run the program in the new job */               if (execve(argv[0], argv, environ) < 0) {                   printf("%s: Command not found\n", argv[0]);                   exit(0);               }           }              /*           * Parent process          */              /* Parent adds the job, and then unblocks signals so that             the signals handlers can run again */           addjob(jobs, pid, (bg == 1 ? BG : FG), cmdline);           sigprocmask(SIG_UNBLOCK, &mask, NULL);//还原Block              if (!bg)                waitfg(pid);//前台进行           else               printf("[%d] (%d) %s", pid2jid(pid), pid, cmdline);//后台进行       }       /* $end handout */       return;   }   处理流程： 第一步：定义各个变量。使用parseline()函数函数解析命令行，得到命令行参数。如果argv[0]=NULL，则无命令。 第二步：使用builtin_cmd()函数判断命令是否为内置命令，如果不是内置命令，则继续执行。 第三步：设置阻塞集合。先初始化mask为空集合，再将SIGCHLD , SIGINT ,SIGTSTP 信号加入阻塞集合。然后创建子进程。 第四步：阻塞SIGCHLD，防止子进程在父进程之前结束，防止addjob()函数错误地把（不存在的）子进程添加到作业列表中。 第五步：子进程中，先解除对SIG_CHLD的阻塞，再使用setpgid(0,0)创建一个虚拟的进程组，使子进程拥有自己唯一的进程组ID，目的是为了在键盘上键入Ctrl+C (Ctrl+Z)时，我们的后台子进程就不会从内核接收SIGINT (SIGTSTP)信号。该进程组ID表明其不和tsh进程在一个进程组。然后调用execve函数，执行相应的文件。 第六步：将job添加到job list，解除SIG_CHLD阻塞信号。判断进程是否为前台进程，如果是前台进程，调用waitfg()函数，等待前台进程，如果是后台进程，则打印出进程信息。 要点分析: 1.在键盘上键入Ctrl+C (Ctrl+Z)时，我们的后台子进程就不会从内核接收SIGINT (SIGTSTP)信号。 2.在执行addjob之前需要阻塞信号，防止addjob()函数错误地把（不存在的）子进程添加到作业列表中。 2. int builtin_cmd(char **argv)函数 函数功能： 如果用户键入了内置命令，则立即执行。 参数： 形参：传入的参数数组argv 。实参：argv[0] ，“quit” ，"&" ，“jobs” ，“bg” ，“fg”， argv，SIG_BLOCK ，mask ，prev ，NULL。 代码： int builtin_cmd(char **argv)    {       sigset_t mask, prev;       sigfillset(&mask);//阻塞全部信号，为下面lishjobs调用全局变量jobs准备       char *cmd = argv[0];//第一个字符       if(cmd == NULL) //若为空，就直接返回，返回1表示不用进行if语句内包含的内容因为如果仅仅按下回车会使得strcmp失效           return 1;       if(!strcmp(cmd, "&"))//若只单单有一个&字符，同上           return 1;       if(!strcmp(cmd, "quit"))//若退出，则选择退出，并选用安全的退出函数           _exit(0);       if(!strcmp(cmd, "jobs")){//jobs列出当前的进程           sigprocmask(SIG_BLOCK, &mask, &prev);//调用全局变量前需要阻塞全部信号           listjobs(jobs);           sigprocmask(SIG_SETMASK, &prev, NULL);//恢复原来信号           return 1;       }       if(!strcmp(cmd, "bg") || !strcmp(cmd, "fg")){//交由do_bgfg函数处理           do_bgfg(argv);           return 1;       }       return 0;     /* not a builtin command */   }   处理流程： 函数需要根据传入的参数数组，判断用户键入的是否为内置命令，采取的办法就是比较argv[0]和内置命令，如果是内置命令，则跳到相应的函数，并且返回1，如果不是，则什么也不做，并且返回0。 其中，如果命令为quit，则直接退出；如果命令是内置的jobs命令，则调用listjobs()函数，打印job列表；如果是fg或是bg两条内置命令，则调用do_bgfg()函数来处理即可。 要点分析： 1.要注意如果用户仅仅按下回车键，那么在解析后argv的第一个变量将是一个空指针。如果用这个空指针去调用strcmp函数会引发segment fault。 2.因为jobs是全局变量，为了防止其被修改，需要阻塞全部信号，过程大致为（后面函数阻塞全部信号的做法与此基本一致）： 3. void do_bgfg(char **argv) 函数 函数功能： 执行内置bg和fg命令。 参数： 形参是传入的参数数组argv 。实参是argv[1] , argv[1][0] , jobs , pid , argv[1] , argv[0]。 代码： void do_bgfg(char **argv)    {       /* $begin handout */       struct job_t *jobp=NULL;              /* Ignore command if no argument */       if (argv[1] == NULL) {           printf("%s command requires PID or %%jobid argument\n", argv[0]);           return;       }              /* Parse the required PID or %JID arg */       if (isdigit(argv[1][0])) {           pid_t pid = atoi(argv[1]);           if (!(jobp = getjobpid(jobs, pid))) {               printf("(%d): No such process\n", pid);               return;           }       }       else if (argv[1][0] == '%') {           int jid = atoi(&argv[1][1]);           if (!(jobp = getjobjid(jobs, jid))) {               printf("%s: No such job\n", argv[1]);               return;           }       }              else {           printf("%s: argument must be a PID or %%jobid\n", argv[0]);           return;       }          /* bg command */       if (!strcmp(argv[0], "bg")) {            if (kill(-(jobp->pid), SIGCONT) < 0)               unix_error("kill (bg) error");           jobp->state = BG;           printf("[%d] (%d) %s", jobp->jid, jobp->pid, jobp->cmdline);       }          /* fg command */       else if (!strcmp(argv[0], "fg")) {            if (kill(-(jobp->pid), SIGCONT) < 0)               unix_error("kill (fg) error");           jobp->state = FG;           waitfg(jobp->pid);       }       else {           printf("do_bgfg: Internal error\n");           exit(0);       }       /* $end handout */       return;   }   处理流程： 第一步：先判断fg或bg后是否有参数，如果没有，则忽略命令。 第二步：如果fg或bg后面只是数字，说明取的是进程号，获取该进程号后，使用getjobpid(jobs, pid)得到job；如果fg或bg后面是%加上数字的形式，说明%后面是任务号(第几个任务)，此时获取jid后，可以使用getjobjid(jobs, jid)得到job。 第三步：比较区分argv[0]是“bg”还是“fg”。如果是后台进程，则发送SIGCONT信号给进程组PID的每个进程，并且设置任务的状态为BG，打印任务的jid，pid和命令行；如果是前台进程，则发送SIGCONT信号给进程组PID的每个进程，并且设置任务的状态为FG，调用waitfg(jobp->pid)，等待前台进程结束。 要点分析： 1.函数主要是先判断fg后面是%+数字还是只有数字的形式，从而根据进程号pid或是工作组号jid来获取结构体job；然后在根据前台和后台进程的不同，执行相应的操作。 2. isdigit()函数判断是否为数字，不是数字返回0。 3. atoi()函数把字符串转化为整型数。 4. SIGCONT信号对应事件为：继续进程如果该进程停止。 4. void waitfg(pid_t pid) 函数 函数功能： 阻止直到进程pid不再是前台进程。 参数： 形参是前台进程pid。实参是mask，jobs。 代码： void waitfg(pid_t pid)   {       sigset_t mask;       sigemptyset(&mask);//在挂起进程的过程中清空block以便信号能够响应       while(pid == fgpid(jobs)) {//前台工作的进程值比较           sigsuspend(&mask);//挂起进程       }       return;   }   处理流程： 函数主体是while循环语句，判断传入的pid是否为一个前台进程的pid，如果是，则一直循环，如果不是，则跳出循环。其中while循环内部使用sigsuspend()函数，暂时用mask替换当前的阻塞集合，然后挂起该进程，直到收到一个信号，选择运行一个处理程序或者终止该进程。 要点分析： 1.在while内部，如果使用的只是pause()函数，那么程序必须等待相当长的一段时间才会再次检查循环的终止条件，如果使用向nanosleep这样的高精度休眠函数也是不可接受的，因为没有很好的办法来确定休眠的间隔。但是PPT上示例代码却给出sleep(1),我：？？？。 2.在while循环语句之前，初始化mask结合为空，在while内部用SIG_SETMASK使block=mask，这样sigsuspend()才不会因为收不到SIGCHLD信号而永远睡眠。 5. void sigchld_handler(int sig) 函数 函数功能： 每当一个子进程终止(成为僵死进程)，或者因为接收到SIGSTOP或SIGTSTP信号而停止时，内核就向shell发送一个SIGCHLD。处理程序获取所有可用的僵死子进程，但不等待当前正在运行的任何其他子进程终止。 参数： 形参是sig，实参是status , WNOHANG | WUNTRACED , SIG_BLOCK , mask , prev, SIG_SETMASK。 代码： void sigchld_handler(int sig)    {       int olderrno = errno, status;//status 用于检查回收子进程的退出状态       sigset_t mask, prev;//用于阻塞全局共享数据结构       struct job_t *jobfirst;//方便后续删除       sigfillset(&mask);       pid_t pid;//记录停止的子进程ID       while((pid = waitpid(-1, &status, WNOHANG | WUNTRACED)) > 0){//立即返回，如果等待集合中的子进程都没有被停止或终止，则返回值为0；如果有一个停止或终止，则返回值为该子进程的PID           sigprocmask(SIG_BLOCK, &mask, &prev);//删除进程时需要阻塞所有信号——引用了全局共享数据结构           jobfirst = getjobpid(jobs, pid);//根据PID寻找进程           if(WIFEXITED(status)) {//引起返回的子进程当前是正常停止的               deletejob(jobs, pid);           }           else if(WIFSIGNALED(status)){//因一个未被捕获的信号终止               printf("Job [%d] (%d) terminated by signal %d\n", jobfirst->jid, jobfirst->pid, WTERMSIG(status));               deletejob(jobs, pid);           }           else if(WIFSTOPPED(status)){//因为子进程停止而停止               jobfirst->state = ST;               printf("Job [%d] (%d) stopped by signal %d\n", jobfirst->jid, jobfirst->pid, WSTOPSIG(status));           }           fflush(stdout);           sigprocmask(SIG_SETMASK, &prev, NULL);//恢复Block       }       errno = olderrno;//还原errno       return;   }  处理流程： 第一步：把每个信号都添加到mask阻塞集合中，设置olderrno = errno 。 第二步：在while循环中使用waitpid(-1, &status, WNOHANG | WUNTRA CED))，其中，目的是尽可能回收子进程，其中WNOHANG | WUNTRACED表示立即返回，如果等待集合中没有进程被中止或停止返回0，否则孩子返回进程的pid。 第三步：在循环中阻塞信号，并且使用getjobpid()函数，通过pid找到job 。 第四步：通过waitpid在status中放上的返回子进程的状态信息，判断子进程的退出状态。如果引起返回的子进程当前是停止的，那么WIFSTOPPED(status)就返回真，此时只需要将pid找到的job的状态改为ST，并且按照示例程序输出的信息，将job的jid，pid以及导致子进程停止的信号的编号输出即可。如果子进程是因为一个未被捕获的信号终止的，那么WIFSIGNALED(status)就返回真，此时同样按照示例程序输出的信息，将job的jid，pid以及导致子进程终止的信息的编号输出即可，因为此时进程是中止的的进程，所以还需要deletejob()将发出SIGCHLD信号的将其直接回收。 第五步：清空缓冲区，解除阻塞，恢复errno。 要点分析： 1.while循环来避免信号阻塞的问题，循环中使用waitpid()函数，以尽可能多的回收僵尸进程。但是使用while可能会让waitpid等待后台还在进行的进程结束，但如果使用一次if可能会导致信号累加的问题，例如多个后台程序同时结束的情况。然后PPT上建议使用一次waitpid，示例代码却又将其用在了while循环判断条件。考虑到函数的目的是要获取所有可用的僵死进程，故而采用while循环。 2.调用deletejob()函数时，因为jobs是全局变量，因此需要阻塞信号。 3.通过waitpid在status中放上的返回子进程的状态信息，判断子进程的退出状态。WIFSIGNALED判断子进程是否因为一个未被捕获的信号中止的，WIFSTOPPED判断引起返回地子进程当前是否为停止的。WIFEXITED判断是否是正常返回。 6. void sigint_handler(int sig) 函数和void sigchld_handler(int sig) 函数 函数功能： 前者：当用户在键盘上键入Ctrl+C时，内核向shell发送一个SIGINT。捕获它并将其发送到前台作业。 后者：每当用户在键盘上键入Ctrl+Z时，内核都会向shell发送一个SIGTSTP。捕获它并通过发送一个SIGTSTP来挂起前台作业。 参数： 形参是sig，实参是SIG_BLOCK , mask , prev, SIG_SETMASK。 代码： void sigint_handler(int sig)    {       pid_t pid;       sigset_t mask, prev;       int olderrno = errno;       sigfillset(&mask);       sigprocmask(SIG_SETMASK, &mask, &prev);//日常……       pid = fgpid(jobs);//获取前台进程组       sigprocmask(SIG_SETMASK, &prev, NULL);       if(pid != 0)           kill(-pid, SIGINT);//发给前台进程组信号       errno = olderrno;       return;   }   void sigtstp_handler(int sig)    {       pid_t pid;       sigset_t mask, prev;       int olderrno = errno;       sigfillset(&mask);       sigprocmask(SIG_SETMASK, &mask, &prev);//日常……       pid = fgpid(jobs);//获取前台进程组       sigprocmask(SIG_SETMASK, &prev, NULL);       if(pid != 0)           kill(-pid, SIGTSTP);//发给前台进程组信号       errno = olderrno;       return;   } 处理流程： 第一步：将每个信号添加至mask阻塞集合，设置olderrno = errno。 第二步：获取前台进程组的pgid。 第三步：还原原阻塞信号，若有前台进程组，将信号SIGINT发给这个进程组。 第四步：还原errno。 要点分析： jobs为全局共享数据结构，需要进行信号阻塞后对它进行调用，然后需还原信号阻塞。发送信号的时候需要对整个进程组进行。 测试 tsh和tshref进行对比，相同则说明结果正确。                     ——————————————————————————————————————————     ——————————————————————————————————————————     ——————————————————————————————————————————     ——————————————————————————————————————————     ——————————————————————————————————————————     ——————————————————————————————————————————   —————————————————————————————————————————— 测试结果显示正确。 四、收获与体会 在本次实验中，我直到了shell接口的一些用法，对于信号处理相关的知识也更熟练了。