CSAPPLab(5): Shell Lab

实验介绍

本次实验需要实现一个简单的Shell程序tsh，该Shell程序包含内置命令quit(退出)，jobs(列出进程),fg(将一个进程转换为前台运行), bg(将一个进程在后台继续运行)，此外还能运行外部的程序和命令。除此之外，其还能正常的处理SIGINT, SIGTSTP, SIGCHLD, SIGCONT等信号。 实验的评估共有16个小任务，任务i可以通过make test$i快速查看输出结果，而make rtest$i可以查看参考答案的输出结果，也可也直接在tshref.out文件中直接查看结果。 实验的所有代码都在tsh.c中完成，另外有四个小测试程序，分别为

• myspin.c: 休眠i秒后结束进程
• mysplit.c: 创建子进程并休眠i秒后结束，父进程等待子进程的结束。
• mystop.c: 休眠i秒后，发送SIGTSTP信号给进程使其停止。
• myint.c: 休眠i秒后，发送SIGINT信号给进程使其终止。

解答

整体流程

该Shell程序的整体流程为：在主函数main的循环中，每次从stdin获取输入的命令，用eval函数进行处理。eval函数首先对输入的命令调用parseline函数进行解析，转换为argv的参数列表形式，其中argv[0]为命令，并根据&判断程序是否在后台运行。 若任务在后台运行，函数会输出对应的进程信息。如果在前台进行，则调用waitfg等待任务的完成。

void waitfg(pid_t pid)
{
    while (pid == fgpid(jobs))
    {
        sleep(1);
    }
    return;
}

任务管理

Shell程序需要对现在的进程和任务进行管理，因此提供了一个job_t的结构体，其结构如下：

struct job_t {              /* The job struct */
    pid_t pid;              /* job PID */
    int jid;                /* job ID [1, 2, ...] */
    int state;              /* UNDEF, BG, FG, or ST */
    char cmdline[MAXLINE];  /* command line */
};

此外，还提供了添加、删除任务，获取任务信息等函数方便调用。

命令执行

命令执行部分分为两部分，内置命令和其他命令。 内置命令基于builtin_cmd函数完成，通过字符串比较判断对应需要执行的函数，如jobs命令对应listjobs函数，fg,bg命令执行do_bgfg函数。 do_bgfg函数需要完成对指定任务/进程状态的切换，使进程继续运行(原先的状态可能是停止或运行)。因此，需要发送SIGCONT信号给进程，并相应的修改任务状态。

if(!strcmp(argv[0], "bg"))
{
    kill(-(curr_job->pid), SIGCONT);
    curr_job->state = BG;
    printf("[%d] (%d) %s",curr_job->jid, curr_job->pid, curr_job->cmdline);
}
else
{
    kill(-(curr_job->pid), SIGCONT);
    curr_job->state = FG;
    waitfg(curr_job->pid);
}

其他命令通过fork函数和exceve函数配合使用完成。注意，为了保证后面给进程发送信号时，进程的子进程能够收到信号，需要对进程的进程组ID进行设置。如下

// excute cmd
if((pid = fork()) == 0){
    sigprocmask(SIG_SETMASK, &prev_mask, NULL); // unblock SIGCHLD
    setpgid(0, 0); // set pgid
    if(execve(argv[0], argv, environ) < 0){
        printf("%s: Command not found\n", argv[0]);
        exit(0);
    }
}

信号处理

一共需要完成三个信号处理函数，在信号处理函数中开始时先对所有信号进行了阻塞，避免信号处理函数被中断，函数结束后取消阻塞。 实现的过程中还有几个细节。首先是最开始，任务的删除deletejob在sigint_handler调用，进程暂停的状态修改curr_job->state = ST;在sigtstp_handler中完成。但是这样做的问题在于：1) 实际上调用这两个函数后，进程停止或终止时，会给父进程发送一个SIGCHLD信号，从而进入sigchld_handler函数。2) 在测试样例中，包含了由外部程序发送的SIGINT和SIGTSTP信号，这样的信号是无法被Shell程序捕捉的。(参考另外开一个bash终端，然后kill -20 xxx)，但是进程停止或终止的SIGCHLD信号是可以被捕捉的，因此将对应的deletejob移到了sigchld_handler函数中进行处理。 其次，sigchld_handler函数中的waitpid不能只调用一次，这是因为在处理时可能有多个同样的信号到达，但是由于信号的非排队机制导致部分信号丢失。因此需要用while循环保证所有的子进程被回收。使用WNOHANG | WUNTRACED能够获取所有终止或停止的子进程ID，如果没有的话则返回0。

void sigchld_handler(int sig) 
{
    sigset_t mask, prev_mask;
    sigfillset(&mask);
    sigprocmask(SIG_BLOCK, &mask, &prev_mask);

    pid_t pid;
    int status;
    while((pid = waitpid(-1, &status, WNOHANG | WUNTRACED)) > 0){
        
        // 被未捕获的信号终止
        if(WIFSIGNALED(status)){
            // struct job_t * curr_job = getjobpid(jobs, pid);
            int jid = pid2jid(pid);
            printf("Job [%d] (%d) terminated by signal 2\n", jid, pid);
            deletejob(jobs, pid);
        }
        // 判断进程停止时的处理
        else if(WIFSTOPPED(status)){
            struct job_t * curr_job = getjobpid(jobs, pid);
            int jid = pid2jid(pid);
            curr_job->state = ST;
            printf("Job [%d] (%d) stopped by signal 20\n", jid, pid);
        }
        else{
            deletejob(jobs, pid);
        }
    }
    sigprocmask(SIG_SETMASK, &prev_mask, NULL);
    return;
}

此外，为了防止在addjob执行之前子进程任务就已经完成，导致deletejob的调用在addjob之前。需要在addjob之前对SIGCHLD信号进行阻塞，调用完毕后再取消阻塞。同时，由于fork进程会继承父进程的阻塞情况，因此fork后也要取消对SIGCHLD的阻塞。

// block SIGCHLD
sigprocmask(SIG_BLOCK, &mask, &prev_mask);
// excute cmd
if((pid = fork()) == 0){
    sigprocmask(SIG_SETMASK, &prev_mask, NULL); // unblock SIGCHLD
    setpgid(0, 0); // set pgid
    if(execve(argv[0], argv, environ) < 0){
        printf("%s: Command not found\n", argv[0]);
        exit(0);
    }
}
int state = bg + 1;
// printf("bg %d pid %d\n", bg, pid);
sigprocmask(SIG_BLOCK, &mask_all, NULL);
addjob(jobs, pid, state, cmdline);
sigprocmask(SIG_SETMASK, &prev_mask, NULL); // unblock SIGCHLD