本 Lab 需要实现一个简易的 shell，主要考察对进程和信号的理解，以及对与其相关的 POSIX API 的使用，对应知识点为书中的第 8 章内容。
思路
实验要求
实现一个简单的 shell，要求支持如下特性：
- 输入 ctrl-c 触发 SIGINT 信号，输入 ctrl-z 触发 SIGTSTP 信号，发送给给前台运行的任务和依赖于这些任务的子任务（子进程）。
- 如果命令行以
&结尾，那么本次作业将被置于后台运行，否则置于前台运行。 - 每个作业可以通过 PID（process id）或 JID（job id）来指定，其中 JID 需要加上前缀
%。 - 支持下列内建命令：
quit：终止 shell 的运行。jobs：列出所有的后台作业。bg <job>：重启<job>（PID 或者 JID），通过发出 SIGCONT 信号，然后将其运行在后台。fg <job>：重启<job>（PID 或者 JID），通过发出 SIGCONT 信号，然后将其运行在前台。
- 回收所有的僵尸进程。
命令行解释执行
eval 函数的作用是解析并执行 shell 输入的命令行。对于内建命令（builtin command）而言，应该立即在 shell 中进行处理；而对于非内建命令而言，应该使用 fork + execve 的组合，创建一个指定的进程来进行处理。
tsh 不需要支持管道功能，因此一个作业只对应一个进程。
fork 的功能是创建一个子进程，该子进程的虚拟地址空间完全拷贝自其父进程，且程序计数器的位置同样位于该 fork 函数处。区别在于，父进程的返回值为子进程的 pid，子进程的 pid 为 0，因此可以根据这一特性来对父进程和子进程进行分别处理：
- 子进程需要先使用
setpgid(0, 0)将进程组 id 设置为自己的 pid，将自己与 tsh “脱离”，确保此时前台进程组只有 tsh 本身，防止被 tsh 接收到的信号所影响。然后再使用execve，用指定的可执行程序替换拷贝自父进程的虚拟地址空间，并开始从头执行。 - 父进程则需要根据本次输入的命令行，创建其对应的作业数据结构
struct job_t，并加入作业队列jobs中。同时，由于前台作业（命令行末尾不带&符号）需要一直占用终端，因此当本次作业为前台作业时，需要调用waitfg进行等待，直到作业的类型不再是前台运行（FG）。
if ((pid = fork()) == 0) {setpgid(0, 0); // 将进程组设置为自己的 pidif (execve(argv[0], argv, environ) < 0) {printf("execve %s error\n", argv[0]);exit(1);}
} else {if (bg) {addjob(jobs, pid, BG, cmdline);printf("[%d] (%d) %s", getjobpid(jobs, pid)->jid, pid, cmdline);} else {addjob(jobs, pid, FG, cmdline);waitfg(pid);}
}
根据书中 8.5.6 节的描述，可能会出现一种情况：父进程 fork 子进程后，子进程一直被调度执行，直到运行结束称为一个僵尸进程（zombie）并向父进程发送 SIGCHLD 信号。等到父进程被调度时，他先响应 SIGCHLD 信号并将成为僵尸进程的子进程收割（reap），同时尝试将作业从作业队列中移除，此时事实上不会做任何事情，因为作业还没有加入到作业队列中。再接下来父进程继续执行 fork 后的代码，才将作业加入到作业队列中，这明显不对！
针对这类恼人的同步问题，可以采用 sigprocmask （如下所示是 sigprocmask 的使用说明）在适当的位置设置信号屏蔽字来解决。对于本问题，可以在父进程中先屏蔽对 SIGCHLD 信号的处理，等到使用 addjob 将作业加入作业队列后才开始响应 SIGCHLD 信号，这样即便是子进程先执行完毕并向父进程发送 SIGCHLD 信号，父进程也能确保在 addjob 执行完后才处理这一信号。
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sigprocmask介绍
sigprocmask是一个用于操作信号屏蔽字（signal mask）的系统调用。它允许程序暂时屏蔽或取消屏蔽某些信号的接收，进而控制信号的处理行为。通过它，程序可以避免在特定代码段中处理中断信号，从而进行更细粒度的控制。
sigprocmask的原型：#include <signal.h>int sigprocmask(int how, const sigset_t *set, sigset_t *oldset);
how：
SIG_BLOCK：将set中的信号加入到当前信号屏蔽字中（即阻塞这些信号）。SIG_UNBLOCK：从当前信号屏蔽字中移除set中的信号（即解除屏蔽这些信号）。SIG_SETMASK：将当前信号屏蔽字设置为set中的信号集（即完全替换当前的信号屏蔽字）。set：指向包含信号集的sigset_t类型变量，该变量指定要阻塞或解除阻塞的信号。oldset：指向sigset_t类型的变量，用来保存当前的信号屏蔽字，以便稍后恢复。信号集
sigset_t的操作：
- 初始化信号集：
sigemptyset(sigset_t *set)：清空信号集。sigfillset(sigset_t *set)：将所有信号加入信号集。sigaddset(sigset_t *set, int signum)：将特定信号加入信号集。sigdelset(sigset_t *set, int signum)：从信号集中移除特定信号。
此外，为了防止其他可能的并发错误出现，可以在对全局变量的修改前先屏蔽所有信号。
sigset_t mask_all, mask_one, prev_one;sigfillset(&mask_all);
sigemptyset(&mask_one);
sigaddset(&mask_one, SIGCHLD);sigprocmask(SIG_BLOCK, &mask_one, &prev_one);
if ((pid = fork()) == 0) {sigprocmask(SIG_SETMASK, &prev_one, NULL);setpgid(0, 0); // 将进程组设置为自己的 pidif (execve(argv[0], argv, environ) < 0) {printf("execve %s error\n", argv[0]);exit(1);}
} else {sigprocmask(SIG_BLOCK, &mask_all, NULL);if (bg) {addjob(jobs, pid, BG, cmdline);sigprocmask(SIG_SETMASK, &prev_one, NULL);printf("[%d] (%d) %s", getjobpid(jobs, pid)->jid, pid, cmdline);} else {addjob(jobs, pid, FG, cmdline);sigprocmask(SIG_SETMASK, &prev_one, NULL);waitfg(pid);}
}
bg/fg: 已停止作业恢复执行
在内建命令中，quit 直接让程序正常退出即可，jobs 只需调用已实现的函数 listjobs，真正需要实现的是 bg 和 fg，它们的作用是将处于停止状态的作业恢复到后台（前台）执行。
实现方式无非分两步：
- 参数解析，提取出作业 ID（分为 PID 和 JID）。
- 根据
bg和fg的不同，分别进行处理，将作业运行在前台或是后台。
参数解析其实也就是字符串处理，这部分与本章的异常控制流关系不大，在此不过多赘述。
根据参数得到对应的作业 job 后，首先需要它的运行状态更改为指定的状态（BG 或 FG），然后向 job 对应的进程组（kill 的 pid 参数为 -job->pid）发送 SIGCONT 信号，将内核在响应此信号后会重新调度该进程组内的所有进程执行。
sigprocmask(SIG_BLOCK, &mask_all, &prev_one);
job->state = state;
sigprocmask(SIG_SETMASK, &prev_one, NULL);
kill(-job->pid, SIGCONT);
最后，对于前台运行而言，父进程需要调用 waitfg 进行等待；对于后台运行而言，打印作业信息（具体格式见 tshref.out 的内容）。
if (state == FG) {waitfg(job->pid);
} else {printf("[%d] (%d)", job->jid, job->pid);for (int i = 0; argv[i] != NULL; ++i) {printf(" %s", argv[i]);}printf("\n");
}
信号处理函数
这部分看似简单，实则很容易出错，值得仔细说说。
最开始，我在 sigint_handler 和 sigtstp_handler 中进行了对作业队列的操作，在 sigint_handler 中使用 deletejob 删除作业，在 sigtstp_handler 中将作业状态修改为 ST。
这在前面的测试用例中工作一切正常，但在最后的 trace16 中，程序却阻塞在了 mystop.c 的 if (kill(-pid, SIGTSTP) < 0) 位置，而如果按下键盘的 ctrl-c 或 ctrl-z 却能够响应信号，程序也正常终止或暂停。
通过查阅网上资料，在 实验四：Shell-Lab（下） - 知乎 找到了问题的原因。
程序 mystop 使用 kill 发送信号时，信号是直接发送到内核进行处理的，而不会经过 shell，shell 也就不会调用 sigtstp_handler 将作业状态更改为 ST，shell 因此认为 mystop 程序一直处于前台运行状态，也就保持阻塞。
既然 sigint_handler 和 sigtstp_handler 在这种情况下无法被调用，那么就需要在其他信号处理函数中进行处理，答案便是 sigchld_handler。事实上，子进程并非只有在终止时才向父进程发送 SIGCHLD 信号，而是在状态发生改变后就会。我们可以利用这一点，将所有对作业队列的操作都放到 sigchld_handler 中，而 sigint_handler 和 sigtstp_handler 只作一个转发作用。
void sigchld_handler(int sig)
{...while ((pid = waitpid(-1, &status, WNOHANG | WUNTRACED)) > 0) {if (WIFEXITED(status)) { // 子进程正常退出...} else if (WIFSTOPPED(status)) { // 子进程暂停...} else if (WIFSIGNALED(status)) { // 子进程终止...}}
}
代码
eval
void eval(char *cmdline)
{int bg;pid_t pid;char *argv[MAXARGS];sigset_t mask_all, mask_one, prev_one; // 用于父-子进程同步sigfillset(&mask_all);sigemptyset(&mask_one);sigaddset(&mask_one, SIGCHLD);bg = parseline(cmdline, argv);if (builtin_cmd(argv)) return;if (access(argv[0], X_OK) != 0) {printf("%s: Command not found\n", argv[0]);return;}sigprocmask(SIG_BLOCK, &mask_one, &prev_one);if ((pid = fork()) == 0) {sigprocmask(SIG_SETMASK, &prev_one, NULL);setpgid(0, 0); // 将进程组设置为自己的 pidif (execve(argv[0], argv, environ) < 0) {printf("execve %s error\n", argv[0]);exit(1);}} else {sigprocmask(SIG_BLOCK, &mask_all, NULL);if (bg) {addjob(jobs, pid, BG, cmdline);sigprocmask(SIG_SETMASK, &prev_one, NULL);printf("[%d] (%d) %s", getjobpid(jobs, pid)->jid, pid, cmdline);} else {addjob(jobs, pid, FG, cmdline);sigprocmask(SIG_SETMASK, &prev_one, NULL);waitfg(pid);}}
}
built_cmd
int builtin_cmd(char **argv)
{if (!argv[0]) {return 1;} else if (strcmp(argv[0], "quit") == 0) {exit(0);} else if (strcmp(argv[0], "jobs") == 0) {listjobs(jobs);} else if (strcmp(argv[0], "bg") == 0) {do_bgfg(argv, BG);} else if (strcmp(argv[0], "fg") == 0) {do_bgfg(argv, FG);} else {return 0;}return 1;
}
do_bgfg
// 根据字符串 arg（格式为 %jid 或 pid）获取对应的 job
// 成功返回 job 指针，失败返回 NULL
struct job_t *getjob_arg(const char *arg) {int isjid, id;const char *parg;struct job_t *job;isjid = 0;if (arg[0] == '%') {isjid = 1;++arg;}parg = arg;while (*parg != '\0') {if (!isdigit(*parg)) {printf("bg/fg: argument must be a PID or %%jobid\n");return NULL;}++parg;}id = atoi(arg);if (isjid) {job = getjobjid(jobs, id);if (job == NULL) {printf("(%s): No such process\n", arg);}} else {job = getjobpid(jobs, id);if (job == NULL) {printf("%s: No such job\n", arg);}}return job;
}// 与题目提供的接口有些不同（加了个 state 参数），感觉这样更好处理一些...
void do_bgfg(char **argv, int state)
{sigset_t mask_all, prev_one;struct job_t *job;sigfillset(&mask_all);if (argv[1] == NULL) {printf("fg command requires PID or %%jobid argument\n");return;}job = getjob_arg(argv[1]);if (job == NULL) {return;}sigprocmask(SIG_BLOCK, &mask_all, &prev_one);job->state = state;sigprocmask(SIG_SETMASK, &prev_one, NULL);kill(-job->pid, SIGCONT);if (state == FG) {waitfg(job->pid);} else {printf("[%d] (%d)", job->jid, job->pid);for (int i = 0; argv[i] != NULL; ++i) {printf(" %s", argv[i]);}printf("\n");}
}
waitfg
void waitfg(pid_t pid)
{while (1) {struct job_t *job = getjobpid(jobs, pid);if (job == NULL || job->state != FG) break;}
}
sigchld_handler
void sigchld_handler(int sig)
{pid_t pid;int status;sigset_t mask_all, prev_one;sigfillset(&mask_all);while ((pid = waitpid(-1, &status, WNOHANG | WUNTRACED)) > 0) {sigprocmask(SIG_BLOCK, &mask_all, &prev_one);if (WIFEXITED(status)) {deletejob(jobs, pid);} else if (WIFSTOPPED(status)) {printf("Job [%d] (%d) stopped by signal 20\n", pid2jid(pid), pid);getjobpid(jobs, pid) -> state = ST;} else if (WIFSIGNALED(status)) {printf("Job [%d] (%d) terminated by signal 2\n", pid2jid(pid), pid);deletejob(jobs, pid);}sigprocmask(SIG_SETMASK, &prev_one, NULL);}
}
sigint_handler
void sigint_handler(int sig)
{pid_t pid = fgpid(jobs);kill(-pid, sig);
}
sigtstp_handler
void sigtstp_handler(int sig)
{pid_t pid = fgpid(jobs);kill(-pid, sig);
}