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60行C代码实现一个shell

2019-09-14
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继 300来行代码带你实现一个能跑的最小Linux文件系统 之后,我们来看看如何60行C代码实现一个shell!

在实现它之前,先看看这样做的意义。

美是有目共睹的。Unix之美,稍微体会,便能得到。

1969年,Unix初始,没有fork,没有exec,没有pipe,没有 “一切皆文件” ,但是那时它已经是Unix了。它简单,可塑。

Melvin Conway在1963年的论文中叙述fork思想时就解释说并行路径要用结果来交互,也就是在汇合的join点来同步结果。这个同步点所得到的,就是一个并行进程的 输出 。

在此之外,Unix还有另一个原则,就是 组合小程序!

Unix把一系列功能单一的小程序组合成一个复杂的逻辑,这个原则有以下优势:

  • 每一个小程序都很容易编写。

  • 每一个小程序可以分别完成。

  • 每一个小程序可以分别迭代修复。

  • 多个小程序可以自由组合。

这是典型的模块化思想,小到统筹佐餐烧饭,大到组成生命的嘌呤嘧啶,都不自觉地和这种模块化思想相契机,原来这就是真理。 程序尽量小,只做一件事并且做好它。

Unix程序在自身的逻辑之外对外暴露的只有输入和输出。那么 用输出连接另一个程序输入 就是一种好的方法。所谓Conway的join点对于Unix进程指的就是输出。

对外暴露的越少,程序越内聚。这是一种范式,类似RISC处理器也是抽象出仅有的load和store来和内存交互。

简单来讲,Unix程序通过输入和输出来彼此连接。下面是一幅来自Wiki的图示:

详见Pipeline (Unix):
https://en.wikipedia.org/wiki/Pipeline_(Unix)

Unix的另一个原则,即著名的 “一切皆文件!” 连接输出和输入的那个管道在Unix中被实现为Pipe,显然,它也是文件,一个FIFO文件。

说实话,协作几个小程序形成一个大逻辑的思想还是来自于Convey,在Convey的论文里,他称为 协程, Pile可以说是直接实现了 Convey协程 之间的交互。有关这段历史,请看:
http://www.softpanorama.org/Scripting/Piporama/history.shtml

用Pipe连接作为输出和输入连接Unix进程可以做成什么事情呢?让我们去感受一个再熟悉不过的实例,即数学式子:

我们把运算符加号,乘号,除号(暂不考虑括号,稍后解释为什么)这些看作是程序(事实上它们也真的是),那么类似数字3,5,7,6就是这些程序的输入了,这个式子最终需要一个输出,获得这个输出的过程如下:

  1. 数字3,5是加号程序的输入,3+5执行,它获得输出8.

  2. 第1步中的输出8连同数字7作为乘号程序的输入,8 × 7执行,获得输出56.

  3. 第2步中的输出56连同数字6作为除号的输入,…

这个数学式子的求值过程和pipe连接的Unix程序组合获得最终结果的过程完全一致。

如果你相信数学可以描述整个世界,那么Pipe连同Unix程序同样是描述这个世界的语言 。

在数学领域,程序 就是所有的运算符,加号,减号,乘号,除号,乘方,开方,求和,积分,求导…它们无一例外, 只做一件事。

在Unix看来也同样。它做的事情和下面的应该差不多,而且更多:

写出上面的式子中每一个数学运算符的程序并不困难,比如加号程序:

// plus.c
#include <stdio.h>
int main(int argc, char **argv)
{
int a, b;

a = atoi(argv[1]);
b = atoi(argv[2]);

a = a + b;
printf("%d\n", a);
}

同样,我们可以写出除法,直到偏导的程序。然后我们通过pipe就能将它们组合成任意的数学式子。

现在谈谈Unix组合程序的具体写法,如果我们要化简薛定谔方程,我们应该如何用Unix命令写出与上述式子等价的组合程序命令行呢?我们无法像数学家手写那样随意使用括号,显然,计算机并不认识它。我们能够使用的只有两个符号:

  1. 代表具体Unix小程序的命令。

  2. Pipe符号"|"。

换句话说,我们需要写出一个 链式组合表达式。 这时就要用到前缀表达式了。

数学式子里的括号,其实它无关紧要,括号只是给人看的,它规定一些运算的优先级顺序,这叫 中缀表达式 ,一个中缀表达式可以轻松被转换为 前缀表达式,后缀表达式 ,从而消除括号。事实上,Unix的Pipe最初也面临过这样的问题,到底是中缀好呢,还是前/后缀好呢?

我们现在使用的Unix/Linux命令,以cp举例:

cp $in $out

这是一个典型的前缀表达式,但是当pipe的发明者McIlroy最初引入pipe试图组合各个程序时,最初上面的命令行被建议成:

$in cp $out

就像我们的(3 + 5) × 8 一样。但是这非常不适合计算机处理的风格,计算机不得不首先扫描解析这个式子,试图:

  1. 理解 “括号括起来的要优先处理” 这句复杂的话;

  2. 区分哪些是输入,哪些是操作符…

对于式子(3 + 5) × 的求值,计算机更适合用一种在简单规则下非常直接的方式去 顺序执行 求解,这就是前缀表达式的优势。

× 8 +  35就是(3 + 5) × 的前缀表达式,可以看到,没有了括号。对于pipe组合程序而言,同样适用于这个原则。于是前缀命令成了pipe组合命令的首选,现如今,我们可以用:

pro1 $stdin|pro2|pro3|pro4|...|proX $stdout

轻松组合成任意复杂的逻辑。

Pipe协同组合程序的Unix原则是一个创举,程序就是一个加工过滤器,它把一系列的输入经过自己的程序逻辑生成了一系列的输出,该输出又可以作为其它程序的输入。

在Unix/Linux中,各种shell本身就实现了这样的功能,但是为了彻底理解这种处理方式的本质,只能自己写一个才行。来写一个微小的shell吧。

再次看上面提到的Unix Pipe的处理序列:

pro1 $stdin|pro2|pro3|pro4|...|proX $stdout

如果让一个shell处理以上组合命令,要想代码量少,典型方案就是递归,然后用Pipe把这些递归调用过程给串起来,基本逻辑如下:

int exec_cmd(CMD *cmd, PIPE pipe)
{
// 持续解析命令行,以pipe符号|分割每一个命令
while (cmd->next) {
PIPE pp = pipe_create();
if (fork() > 0) {
// 父进程递归解析下一个
exec_cmd(cmd->next, pp);
return 0;
}
// 子进程执行
dup_in_out(pp);
exec(cmd->cmdline);
}
if (fork() > 0) {
wait_all_child();
return 0;
} else {
dup_in_out(pp);
exec(cmd->cmdline);
}
}

按照上面的思路实现出来,大概60行左右代码就可以:

// tinysh.c
// gcc tinysh.c -o tinysh
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/wait.h>

#define CMD_BUF_LEN 512
char cmd[CMD_BUF_LEN] = {0};

void fork_and_exec(char *cmd, int pin, int pout)
{
if (fork() == 0) {
if (pin != -1) {
dup2 (pin, 0);
close(pin);
}
if (pout != -1) {
dup2 (pout, 1);
close(pout);
}
system(cmd);
exit(0);
}
if (pin != -1)
close(pin);
if (pout != -1)
close(pout);
}

int execute_cmd(char *cmd, int in)
{
int status;
char *p = cmd;
int pipefd[2];

while (*p) {
switch (*p) {
case '|':
*p++ = 0;
pipe(pipefd);
fork_and_exec(cmd, in, pipefd[1]);
execute_cmd(p, pipefd[0]);
return 0;
default:
p++;
}
}
fork_and_exec(cmd, in, -1);
while(waitpid(-1, &status, WNOHANG) != -1);
return 0;
}

int main(int argc, char **argv)
{
while (1) {
printf("tiny sh>>");
gets(cmd);
if (!strcmp(cmd, "q")) {
exit(0);
} else {
execute_cmd(cmd, -1);
}
}
return 0;
}

下面是执行tinysh的结果:

[root@10 test]# ls -l
总用量 28
-rw-r--r-- 1 root root 0 9月 1 05:39 a
-rwxr-xr-x 1 root root 9000 9月 1 05:38 a.out
-rw-r--r-- 1 root root 0 9月 1 05:39 b
-rw-r--r-- 1 root root 0 9月 1 05:39 c
-rw-r--r-- 1 root root 0 9月 1 05:39 d
-rw-r--r-- 1 root root 0 9月 1 05:39 e
-rwxr-xr-x 1 root root 9000 9月 1 05:38 tinysh
-rw-r--r-- 1 root root 1167 9月 1 05:38 tinysh.c
[root@10 test]# ./tinysh
tiny sh>>ls -l |wc -l
9
tiny sh>>cat /etc/inittab |grep init
# inittab is no longer used when using systemd.
tiny sh>>cat /etc/inittab |grep init|wc -l
1
tiny sh>>q
[root@10 test]#

递归解析的过程中fork/exec,一气呵成,这就是一个最简单shell实现。它可完成组合程序的执行并给出结果。

这个tiny shell命令解析器的逻辑可以表示如下:

现在,让我们用上面的tiny shell来实现式子

的计算,我需要写表示四则混合运算符的Unix程序,首先看加号运算符程序,将上文中plus.c改成从标准输入读取加数即可:

// plus.c
// gcc plus.c -o plus
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>

int main(int argc, char **argv)
{
float a, b;

a = atof(argv[1]);
scanf("%f", &b);

b = b + a;
printf("%f\n", b);
}

再看减法运算符程序代码:

// sub.c
// gcc sub.c -o sub
#include <stdio.h>
#include <stdio.h>

int main(int argc, char **argv)
{
float a, b;

a = atof(argv[1]);
scanf("%f", &b);

b = b - a;
printf("%f\n", b);
}

接下来是乘法和除法的代码:

// times.c
// gcc times.c -o times
#include <stdio.h>
#include <stdio.h>

int main(int argc, char **argv)
{
float a, b;

a = atof(argv[1]);
scanf("%f", &b);

b = b*a;
printf("%f\n", b);
}
// div.c
// gcc div.c -o div
#include <stdio.h>
#include <stdio.h>

int main(int argc, char **argv)
{
int a, b;

a = atof(argv[1]);
scanf("%d", &b);

b = b/a;
printf("%d\n", b);
}

可以看到,这些都是非常简单的程序,但是任意组合它们便可以实现任意四则运算,我们看看这个如何组合。

首先在标准的Linux bash中我们试一下:

[root@10 test]# ./plus 5|./times 7|./sub 20|./div 6
3
6.000000
[root@10 test]#

计算结果显然是正确的。现在我在自己实现的tinysh中去做类似的事情:

[root@10 test]# ./tinysh
tiny sh>>./plus 5|./times 7|./sub 20|./div 6
3
6.000000
tiny sh>>q
[root@10 test]#

可以看到,tinysh的行为和标准Linux bash的行为是一致的。

简单吧,简单!无聊吧,无聊!Pipe连接了若干小程序,每一个小程序只做一件事。

如果我们的系统中没有任何shell程序,比如我们没有bash,我们只有tinysh,加上以上这4个程序,一共5个程序,就可以完成任意算式的四则混合运算。

现在我们用以上的组合Unix程序的方法试试计算下面的式子:

根号怎么办?

按照非Unix的编程风格,就要在程序里写函数计算开根号,但是用Unix的风格,则只需要再加个开根号的程序即可:

// sqrt.c
// gcc sqrt.c -lm -o sqrt
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <math.h>

int main(int argc, char *argv[])
{
float b;

scanf("%f", &b);

b = sqrt(b);
printf("%f\n", b);
}

有了这个开根号的程序,结合已经有的四则运算程序,让我们的tinysh用pipe将它们串起来,就成了。好了,现在让我们计算上面的式子:

./tinysh
tiny sh>>./sqrt |./plus 3|./div 2
9
3.000000
tiny sh>>q

本文该结束了,后面要写的应该就是关于经典Unix IPC的内容了,是的,自从Pipe之后,Unix便开启了IPC,System V开始称为标准并持续引领着未来,但这是另一篇文章的话题了。

最后,来自Unix初创者之一Dennis M. Ritchie关于Unix的满满回忆,非常感人:

原文来自 The Evolution of the Unix Time-sharing System :
http://www.read.seas.harvard.edu/~kohler/class/aosref/ritchie84evolution.pdf


浙江温州皮鞋湿,下雨进水不会胖!

(完)

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