在第一部分中我們討論了 fork 系統呼叫以及它的注意事項。在本文中，我們將研究怎樣執行命令。
這裡將介紹 exec 函式家族。即以下函式：
execlexecvexecleexecveexeclpexecvp
為了滿足需要，我們將使用 execvp，它的簽名看起來像這樣：
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int execvp(const char *file, char *const argv[]); |
函式名中的 vp 表明：它接受一個檔名，將在系統 $PATH 變數中搜尋此檔名，它還接受將要執行的一組引數。
你可以閱讀 exec 的 man 頁面 以得到其它函式的更多資訊。
讓我們看一下以下程式碼，它執行命令 ls -l -h -a：
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#include <unistd.h> int main() { char *argv[] = {"ls", "-l", "-h", "-a", NULL}; execvp(argv[0], argv); return 0; } |
關於 execvp 函式，有幾點需要注意：
- 第一個引數是命令名。
- 第二個引數由命令名和傳遞給命令自身的引數組成。並且它必須以
NULL結束。 - 它將當前程式的映像交換為被執行的命令的映像，後面再展開說明。
如果你編譯並執行上面的程式碼，你會看到類似於下面的輸出：
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total 32 drwxr-xr-x 5 dhanush staff 170B Jun 11 11:32 . drwxr-xr-x 4 dhanush staff 136B Jun 11 11:30 .. -rwxr-xr-x 1 dhanush staff 8.7K Jun 11 11:32 a.out drwxr-xr-x 3 dhanush staff 102B Jun 11 11:32 a.out.dSYM -rw-r--r-- 1 dhanush staff 130B Jun 11 11:32 |
它和你在你的主 shell 中手動執行ls -l -h -a的結果完全相同。
既然我們能執行命令了，我們需要使用在第一部分中學到的fork 系統呼叫構建有用的東西。事實上我們要做到以下這些：
- 當使用者輸入時接受命令。
- 呼叫
fork以建立一個子程式。 - 在子程式中執行命令，同時父程式等待命令完成。
- 回到第一步。
我們看看下面的函式，它接收一個字串作為輸入。我們使用庫函式 strtok 以空格分割該字串，然後返回一個字串陣列，陣列也用 NULL來終結。
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include <stdlib.h> #include <string.h> char **get_input(char *input) { char **command = malloc(8 * sizeof(char *)); char *separator = " "; char *parsed; int index = 0; parsed = strtok(input, separator); while (parsed != NULL) { command[index] = parsed; index++; parsed = strtok(NULL, separator); } command[index] = NULL; return command; } |
如果該函式的輸入是字串 "ls -l -h -a"，那麼函式將會建立這樣形式的一個陣列：["ls", "-l", "-h", "-a", NULL]，並且返回指向此佇列的指標。
現在，我們在主函式中呼叫 readline 來讀取使用者的輸入，並將它傳給我們剛剛在上面定義的 get_input。一旦輸入被解析，我們在子程式中呼叫 fork 和 execvp。在研究程式碼以前，看一下下面的圖片，先理解 execvp 的含義：
當 fork 命令完成後，子程式是父程式的一份精確的拷貝。然而，當我們呼叫 execvp 時，它將當前程式替換為在引數中傳遞給它的程式。這意味著，雖然程式的當前文字、資料、堆疊段被替換了，程式 id 仍保持不變，但程式完全被覆蓋了。如果呼叫成功了，那麼 execvp 將不會返回，並且子程式中在這之後的任何程式碼都不會被執行。這裡是主函式：
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#include <stdlib.h> #include <stdio.h> #include <string.h> #include <readline/readline.h> #include <unistd.h> #include <sys/wait.h> int main() { char **command; char *input; pid_t child_pid; int stat_loc; while (1) { input = readline("unixsh> "); command = get_input(input); child_pid = fork(); if (child_pid == 0) { /* Never returns if the call is successful */ execvp(command[0], command); printf("This won't be printed if execvp is successuln"); } else { waitpid(child_pid, &stat_loc, WUNTRACED); } free(input); free(command); } return 0; } |
全部程式碼可在此處的單個檔案中獲取。如果你用 gcc -g -lreadline shell.c 編譯它，並執行二進位制檔案，你會得到一個最小的可工作 shell，你可以用它來執行系統命令，比如 pwd 和 ls -lha：
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unixsh> pwd /Users/dhanush/github.com/indradhanush.github.io/code/shell-part-2 unixsh> ls -lha total 28K drwxr-xr-x 6 root root 204 Jun 11 18:27 . drwxr-xr-x 3 root root 4.0K Jun 11 16:50 .. -rwxr-xr-x 1 root root 16K Jun 11 18:27 a.out drwxr-xr-x 3 root root 102 Jun 11 15:32 a.out.dSYM -rw-r--r-- 1 root root 130 Jun 11 15:38 execvp.c -rw-r--r-- 1 root root 997 Jun 11 18:25 shell.c unixsh> |
注意：fork 只有在使用者輸入命令後才被呼叫，這意味著接受使用者輸入的使用者提示符是父程式。
錯誤處理
到目前為止，我們一直假設我們的命令總會完美的執行，還沒有處理錯誤。所以我們要對 shell.c做一點改動：
- fork – 如果作業系統記憶體耗盡或是程式數量已經到了允許的最大值，子程式就無法建立，會返回 -1。我們在程式碼里加上以下內容：
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... while (1) { input = readline("unixsh> "); command = get_input(input); child_pid = fork(); if (child_pid < 0) { perror("Fork failed"); exit(1); } ... |
- execvp – 就像上面解釋過的，被成功呼叫後它不會返回。然而，如果執行失敗它會返回 -1。同樣地，我們修改
execvp呼叫： -
123456...if (execvp(command[0], command) < 0) {perror(command[0]);exit(1);}...
注意：雖然fork之後的exit呼叫終止整個程式，但execvp之後的exit呼叫只會終止子程式，因為這段程式碼只屬於子程式。
- malloc – 如果作業系統記憶體耗盡，它就會失敗。在這種情況下，我們應該退出程式：
1234567char **get_input(char *input) {char **command = malloc(8 * sizeof(char *));if (command == NULL) {perror("malloc failed");exit(1);}... - 動態記憶體分配 – 目前我們的命令緩衝區只分配了8個塊。如果我們輸入的命令超過8個單詞，命令就無法像預期的那樣工作。這麼做是為了讓例子便於理解，如何解決這個問題留給讀者作為一個練習。
上面帶有錯誤處理的程式碼可在這裡獲取。
內建命令
如果你試著執行 cd 命令，你會得到這樣的錯誤：
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cd: No such file or directory |
我們的 shell 現在還不能識別cd命令。這背後的原因是：cd不是ls或pwd這樣的系統程式。讓我們後退一步，暫時假設cd 也是一個系統程式。你認為執行流程會是什麼樣？在繼續閱讀之前，你可能想要思考一下。
流程是這樣的：
- 使用者輸入
cd /。 - shell對當前程式作
fork，並在子程式中執行命令。 - 在成功呼叫後，子程式退出，控制權還給父程式。
- 父程式的當前工作目錄沒有改變，因為命令是在子程式中執行的。因此，
cd命令雖然成功了，但並沒有產生我們想要的結果。
因此，要支援 cd，我們必須自己實現它。我們也需要確保，如果使用者輸入的命令是 cd（或屬於預定義的內建命令），我們根本不要 fork 程式。相反地，我們將執行我們對 cd（或任何其它內建命令）的實現，並繼續等待使用者的下一次輸入。，幸運的是我們可以利用 chdir 函式呼叫，它用起來很簡單。它接受路徑作為引數，如果成功則返回0，失敗則返回 -1。我們定義函式：
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int cd(char *path) { return chdir(path); } |
並且在我們的主函式中為它加入一個檢查：
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while (1) { input = readline("unixsh> "); command = get_input(input); if (strcmp(command[0], "cd") == 0) { if (cd(command[1]) < 0) { perror(command[1]); } /* Skip the fork */ continue; } ... |
帶有以上更改的程式碼可從這裡獲取，如果你編譯並執行它，你將能執行 cd 命令。這裡是一個示例輸出：
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unixsh> pwd /Users/dhanush/github.com/indradhanush.github.io/code/shell-part-2 unixsh> cd / unixsh> pwd / unixsh> |
第二部分到此結束。這篇部落格帖文中的所有程式碼示例可在這裡獲取。在下一篇部落格帖文中，我們將探討訊號的主題以及實現對使用者中斷（Ctrl-C）的處理。敬請期待。
致謝
謝謝 Dominic Spadacene和我搭檔寫這篇文章，謝謝 Saul Pwanson幫我解決怪異的記憶體洩漏，當時程式碼貌似完全不能工作了。
更新：Saul提到：按照慣例，用 < 0 來檢查錯誤比用 == -1 更好，因為有些 API 可能返回除了 -1 以外的負值，<0 有助於應對那些情況。我已經據此更新了本帖文和程式碼示例。
參考資料
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