hnu 计算机系统 ShellLab

0 准备工作

shellLab有以下三个文件，查看readme
使用命令tar xvf shelab-handout.tar 解压缩文件；
使用命令 make 去编译和链接一些测试例程；

查看ReadMe,以下为中文翻译

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CS:APP Shell 实验  
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文件说明：

Makefile # 用于编译你的shell程序并运行测试  
README # 本说明文件  
tsh.c # 你需要编写并提交的shell程序源码  
tshref # 参考shell的可执行文件

# 以下文件用于测试你的shell程序
sdriver.pl # 跟踪驱动式shell测试脚本  
trace*.txt # 控制测试脚本的15个跟踪文件  
tshref.out # 参考shell在所有15个测试用例上的输出示例

# 被跟踪文件调用的微型C程序
myspin.c # 接受参数n，循环运行n秒  
mysplit.c # 创建子进程并循环运行n秒  
mystop.c # 循环运行n秒后向自身发送SIGTSTP信号  
myint.c # 循环运行n秒后向自身发送SIGINT信号

查看makefile文件

• test* 指令（* 表示01到16的其中一个数）
  运行trace01.txt到trace16.txt，调用我们自己实现的tsh
• rtest* 指令
  运行trace01.txt到trace16.txt，调用参考实现的tshref，用于对比测试结果
• clean* 指令
  删除所有生成的文件（$(FILES)、.o文件和临时文件*~）。

通过make all可以编译所有目标文件
通过make test* 或 make rtest* 可以运行单个测试用例

查看trace.txt文件*

查看trace文件看看：
在后台运行myspin程序，并停留1秒。
看到这实际上是一个指令的集合，用于测试我们的tinyshell。

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1 实验过程

我们要实现7个函数

1.1 解读未修改的tsh.c函数

• 宏定义
  
• 核心数据结构
  
• 定义我们要实现的函数
  
• 一些辅助函数
  
• main函数
  main函数，作用是初始化（设置stderr重定向，解析命令行参数-v,-h,-p,初始化joblist)；配置信号，注册信号处理器SIGINT,SIGTSTP.SIGCHLD,SIGQUIT;并在主循环中实现标准shell的REPL流程（显示提示符->读取命令->执行命令(eval)->刷新输出

1.2 eval函数实现

实现思路：

• 调用parseline函数，返回bg值，该值表示新进程的前台/后台状态

• 调用builtin_command函数，检查第一个命令行参数是不是内置的外壳命令，是的话立刻解释该命令并返回，如果是quit命令则立刻终止shell

• 内置命令如下
  

• 如果builtin_command返回0，那么调用fork创建一个子进程，并通过execve在子进程中执行程序；

  • 如果bg=1即用户要求在后台运行该程序，则回到循环的顶部，等待下一个命令行；
  • 如果bg=0即用户要求在前台运行该程序，则调用waitpid函数等待作业终止；

• 屏蔽信号量：

  • 父进程在fork前要用sigprocmask屏蔽sigchild信号量，然后再调用addjob将子进程加入作业列表，由于子进程继承了父进程的阻塞向量，所以必须先解除阻塞SIGCHLD信号再执行新程序;
  • 防止fork之后调度执行子进程并在addjob之前结束子进程，此时SIGCHLD信号使父进程将子进程回收，这会导致 addjob 和 deletejob 函数执行错位，结果是删除一个不存在的进程号，添加一个不存在且永不会被删除的进程号。
    

1.3 int builtin_cmd(char ** argv)

实现思路:
builtin_cmd函数实现内置命令

• 若命令为quit，调用exit实现退出
• 若命令为bg或fg，调用do_fgbg函数实现前台或后台进程的操作
• 若命令为jobs，调用listjobs函数打印后台作业
• 若都不满足，则不是内置命令，返回0

代码实现：

1.4 void do_bgfg(char ** argv)

这个函数要实现内置命令bg和fg，这两个命令的功能如下“

• bg <job>：通过向<job>对应的作业发送SIGCONT信号来使它重启并放在后台运行
• fg <job>：通过向 <job>对应的作业发送SIGCONT信号来使它重启并放在前台运行
• 输入时后面的参数有%则代表jid，没有则代表pid

实现思路：

• 参数检查：如果bg/fg命令后无参数，则无效

• 参数解析： 通过读取命令行的第一个字符是否为%来判断id类型是jobid还是pid

• 使用strtol安全地转换字符串为数字

• 根据解析出的ID查找对应的作业：

  • 对于JID，调用getjobjid查找
  • 对于PID，调用getjobpid查找

• 如果找不到对应的作业，输出错误信息并返回

• 根据命令类型（bg或fg）执行不同操作：

  • ​​bg命令​​：
    • 将作业状态设为BG（后台）
    • 向整个进程组发送SIGCONT信号继续运行
    • 打印作业信息（JID、PID和命令行）
  • ​​fg命令​​：
    • 将作业状态设为FG（前台）
    • 向整个进程组发送SIGCONT信号继续运行
    • 调用waitfg等待前台作业完成

• 使用unix_error处理系统调用错误

• 对非法命令类型输出内部错误信息并退出

[!NOTE]
  strtol函数原型：long int strtol(const char *nptr, char **endptr, int base);

    strtol函数会将参数nptr字符串根据参数base来转换成长整型数，参数base范围从2至36。

[!NOTE]

kill函数原型： int kill(pid_t pid,int signo)

    pid > 0：将信号发送给进程 ID 为 pid 的进程。

    pid ==0：将信号发送给与发送进程属于同一进程组的所有进程。

    pid < 0：将信号发送给进程组 ID 等于 pid 的绝对值的所有进程。

    pid ==-1：将信号发送给系统中所有进程。

代码实现：

1.5 waitfg(pid_t pid)

​​等待指定进程（pid）的前台作业（FG）完成​​。

实现思路：

• 获取目标作业信息：
  • 通过 getjobpid(jobs, pid) 查找 pid 对应的作业结构体 job。
  • 如果作业不存在（如进程已终止或 pid 无效），直接返回。
• 初始化空信号集：
  • 使用 sigemptyset(&wait) 初始化一个空的信号集 wait，表示​​不阻塞任何信号​​。
  • 如果初始化失败，调用 unix_error 报错（通常终止进程）。
• 循环等待前台任务完成：
  • ​​核心逻辑​​：只要作业状态仍为前台运行（FG），就调用 sigsuspend(&wait) ​​挂起当前进程​​，直到收到任意信号。
  • sigsuspend(&wait) 的作用：
    1. ​​临时将进程的信号掩码设置为 wait（空信号集）​​，即允许所有信号中断休眠。
    2. ​​暂停进程​​，直到收到任意信号（如 SIGCHLD、SIGINT 等）。
    3. ​​信号处理函数执行完毕后​​，恢复原来的信号掩码，并继续执行。
• ​​为什么用 sigsuspend 而不是 pause？​​
  • pause() 可能因信号竞争（race condition）导致永久阻塞（如信号在检查 job->state 后、pause() 前到达）。
  • sigsuspend 是​​原子操作​​，确保信号检查与挂起之间不会被中断。
• 退出条件：​
  • 当 job->state != FG（如变为 BG 后台作业或 ST 已终止），循环结束，函数返回。

代码实现：

1.6 void sigchld_handler(int sig)

sigchld信号处理函数：检测到sigchld信号就调用该函数，非阻塞地回收所有子进程，并跟

实现思路:

• 非阻塞地回收所有子进程
  • • ​​waitpid(-1, &status, WNOHANG | WUNTRACED)​​：
  • ​​-1​​：等待任意子进程。
  • ​​WNOHANG​​：非阻塞模式，立即返回（无子进程退出时返回 0）。
  • ​​WUNTRACED​​：同时检测暂停的子进程（如 SIGTSTP 暂停）。
• 检查作业是否存在
  • 通过 getjobpid 查找子进程对应的作业结构体 job。
  • 如果作业不存在（如已被手动删除或 pid 无效），打印错误信息并返回。
• 处理子进程的三种状态：
  • 子进程暂停；
    • ​​WIFSTOPPED(status)​​：判断子进程是否被暂停（如 SIGTSTP）。
    • ​​WSTOPSIG(status)​​：获取导致暂停的信号编号（如 SIGTSTP=20）。
    • ​​更新作业状态​​：将作业状态设为 ST（挂起），供后续恢复（如 Shell 的 fg 命令）。
  • 子进程正常退出；
    • ​​WIFEXITED(status)​​：判断子进程是否正常退出（如调用 exit 或 return）。
    • ​​WEXITSTATUS(status)​​：获取子进程的退出状态码（exit(123) 中的 123）。
    • ​​删除作业​​：调用 deletejob 从作业列表中移除该进程，并打印详细信息（若 verbose 为真）。
  • 子进程被信号终止；
    • ​​默认情况​​：子进程因未捕获的信号终止（如 SIGKILL、SIGSEGV）。
    • ​​WTERMSIG(status)​​：获取导致终止的信号编号（如 SIGKILL=9）。
    • ​​删除作业​​：同正常退出逻辑，但额外打印终止信号信息。

[!NOTE]
waitpid函数原型： pid_t waitpid(pid_t pid , int *status , int options)
总体：
如果没有子进程或其它错误原因，则返回-1；
如果成功回收子进程，则返回回收的那个子进程的ID；
如果第三个参数为WNOHANG，且子进程都在运行，则返回0
参数：
pid：从参数的名字上可以看出来这是一个进程的ID。但是这里pid的值不同时，会有不同的意义。
1.pid > 0时，只等待进程ID等于pid的子进程，只要该子进程不结束，就会一直等待下去；
2.pid = -1时，等待任何一个子进程的退出，此时作用和wait相同；
3.pid = 0时，等待同一个进程组中的任何子进程；
4.pid < -1时，等待一个指定进程组中的任何子进程，这个进程组的ID等于pid的绝对值。
options:options提供了一些额外的选项来控制waitpid
WNOHANG : 若子进程仍然在运行，则返回0
（注意只有设置了这个标志，waitpid才有可能返回0）
WUNTRACED : 如果子进程由于传递信号而停止，则马上返回。
（只有设置了这个标志，waitpid返回时，其WIFSTOPPED(status)才有可能返回true）
&status参数：
WIFEXITED(status)
如果正常退出（exit）返回非零值；这时可以用WEXITSTATUS(status) 得到退出编号（exit的参数）
WIFSIGNALED(status)
如果异常退出 （子进程接受到退出信号） 返回非零值；使用WTERMSIG (status) 得到使子进程退出得信号编号
WIFSTOPPED(status)
如果是暂停进程返回的状态，返回非零值；使用WSTOPSIG

代码实现：

1.7 void sigint_handler(int sig)

处理shell/前台进程发出的异常，这里我们只实现ctrl-c，将任务结束

实现思路：

• 获取前台进程的pid
• 若pid合法，调用kill函数终止所有前台进程

代码实现：

1.8  void sigtstp_handler(int sig);

处理由终端输入ctrl-z引起的异常，将前台作业暂停

实现思路跟以上差不多：

• 获取前台进程的pid
• 若pid合法，调用kill函数暂停前台进程并输出相关信息

代码实现：

2 测试

我们利用trace0*.txt和参考tsh对以上代码的准确性进行测试
命令

make trace01
make rtrace01

trace01 中终止eof

输出如下

trace02-进程内置命令测试（quit）

输出：

trace03-run一个前台job

eval函数解析txt文件第一行，发现不是内置命令，于是创建子进程，通过execve函数查找/bin/echo并运行该可执行文件，输出tsh> quit

输出：

trace04-运行后台job

先在前台执行echo命令，等待进程运行完回收子进程。&代表是一个后台程序，myspin睡眠1秒，然后停止。输出后台程序运行信息。

trace05-jobs内置命令

依次运行：前台任务cheo,后台任务myspin 2，前台任务echo,后台任务myspin 3，前台任务jobs，后台任务jobs，应该输出正在运行的两个后台任务

trace06-ctrl-c中断前台进程

接收到了中断信号SIGINT（即CTRL_C)那么结束前台进程

trace07-中断前台而不中断后台作业

依次运行后台作业myspin4 前台作业myspin5，发送中断信号，用jobs查看当前工作信息，对比是否只中断了前台作业

trace08-暂停前台而不暂停后台作业

依次运行后台作业myspin4 前台作业myspin5，发送sigtstp信号，用jobs查看当前工作信息，对比是否只暂停了前台作业

trace09-进程bg内置命令

依次运行后台作业myspin4 前台作业myspin5，暂停前台作业myspin5后，使用bg内置命令查看能否唤醒进程2，也就是被挂起的程序,此时Sigcont被发送到被挂起的任务，唤醒该任务，使任务在后台运行

trace10-进程fg内置命令

测试fg能否让一个被挂起的程序继续在前台运行。

trace11- 将SIGINT转发给前台进程组中的每个进程

创建前台任务mysplit，然后将SIGINT发给前台进程组中的每个进程，使用ps -a查看正在运行的所有进程，因为int信号被发送给前台进程组的每一个进程，所以所有进程停止

trace12-将SIGTSTP转发到前台进程组中的每个进程

跟上一题差不多。将SIGTSTP转发给前台进程组中的每个进程。

trace13-重新启动每个已暂停的进程

测试fg能否唤醒整个已暂停的进程组

trace14-简单的错误处理

测试一些简单错误

trace15-综合测试

trace16-其他进程信号测试

测试shell能否出来自其他进程的信号

3 实验总结

进程的创建和销毁由内核完成，我们没有权限操作，只能通过信号等对内核发起请求；我们可以通过shell沟通用户和内核进行进程的创建，销毁，中断，结束等。tsh是shell的简化版，维护4个信号（SIGINT，SIGTSTP,SIGCHLD,SIGCONT），只有4个内置命令（bg,fg,jobs,quit）。

阻塞信号集：当前进程要阻塞的信号的集合
未决信号集是当前进程中还处于未决状态的信号的集合，这两个集合存储在内核的PCB中。

[!NOTE]
下面以SIGINT为例说明信号未决信号集和阻塞信号集的关系：
当进程收到一个SIGINT信号（信号编号为2），首先这个信号会保存在未决信号集合中，此时对应的2号编号的这个位置上置为1，表示处于未决状态；在这个信号需要被处理之前首先要在阻塞信号集中的编号为2的位置上去检查该值是否为1：
如果为1，表示SIGNIT信号被当前进程阻塞了，这个信号暂时不被处理，所以未决信号集 上该位置上的值保持为1，表示该信号处于未决状态；
如果为0，表示SIGINT信号没有被当前进程阻塞，这个信号需要被处理，内核会对SIGINT信号进行处理（执行默认动作，忽略或者执行用户自定义的信号处理函数），并将未决信号集中编号为2的位置上将1变为0，表示该信号已经处理了，这个时间非常短暂，用户感知不到。
当SIGINT信号从阻塞信号集中解除阻塞之后，该信号就会被处理。

signal函数用sigaction系统进行封装，更优雅的进行信号处理

我们使用四个原子操作函数，对信号集set进行设置，修改

sigemptyset： int sigemptyset(sigset_t *set);
sigaddset： int sigaddset(sigset_t *set,int signum);
sigprocmask： int sigprocmask(int how, const sigset_t *restrict set, sigset_t *restrict oldset);
sigsuspend： int sigsuspend(const sigset_t *mask);

并发问题：
jobs数组为临界缓冲区,addjob和deletejob操作需要锁
sigchld处理函数处理SIGCHLD信号的时候，同时至多处理两个子进程的删除。此时需要用while信号处理同时并发的多个子进程

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4 心得体会

实验过程中出现的问题

• 一开始在编写待实现函数时没什么思路，参考了网上的资料后茅塞顿开；
• 要注意父子进程的信号阻塞问题，不正确的信号阻塞会导致子进程无法创建或者创建后被kill等
• 在实现shell的信号处理时，最初没有正确处理SIGINT和SIGTSTP信号，前台进程组和后台进程组的信号传递容易混淆。
• waitpid的使用和WNOHANG选项的理解不够深入

体会

实验四主要是对信号这一章的考察，考察我们对信号量以及其在不同进程间的是如何进行沟通的，并能熟练运用，编写简单的Shell。这对我们的编程能力和实操能力都是一种考验。
通过亲手实现shell，我更加深入地理解了进程创建、终止和作业控制的机制。认识到了异步事件处理的重要性，掌握了更多Unix系统调用以及库函数的使用；对shell的工作原理有了更深入的认识，不再是命令行用户。
这个实验虽然挑战性很大，但通过解决这些问题，我对计算机系统底层机制的理解有了质的飞跃，也大大提升了系统编程和调试能力。