本篇博客主要从操作系统的角度来介绍shell以及如何实现一个简单的shell。

操作系统是用于提供用户态和内核态交互的一种特殊的程序，当用户态的进程想要访问内核服务时，必须要通过操作系统提供的系统调用接口，示意图如下：

在类unix中有一个特殊的程序 - shell，实际上shell并不属于内核，只是一个用户态的普通程序，但它的特殊性在于它是类unix系统中用户主要的交互接口，它对内核的系统调用进行了一层封装，从而为用户提供方便的命令行操作。

操作系统提供的服务有：进程、内存、文件描述符、管道、文件系统等，下面就从这几个方面来介绍shell是如何对其进行封装和实现的。

进程和内存

一个进程是由用户空间内存（指令、数据）和由内核管理的进程状态信息(PCB)。

在进程相关操作中， 最主要的系统调用有：fork, exit, wait, exec。

• fork: 创建一个子进程，该子进程与自身共享内存空间，一旦某一方要去修改内存，则会copy一份新的内存以供修改（即copy-on-write）
• exit: 使得当前进程停止执行，并释放内存、文件等资源
• wait: 一直等待，直到当前进程的一个子进程退出
• exec: 用一个从文件中加载得到的新内存镜像来代替当前进程

类unix中的shell就是使用上述系统调用来运行用户传入的指令：

• 在main函数中循环调用一个自定义的函数getcmd()，目的就是从命令行读取用户传入的输入
• 对于每条命令，通过fork创建子进程去处理命令——定义函数runcmd()来实现；而此时父进程通过wait等待子进程执行结束
• runcmd()：通过exec加载实际的目标程序(如"echo hello")来替代了当前runcmd进程，当执行结束后目标程序(如"echo")会自己调用exit，从而退回至main函数的wait处

I/O和文件描述符

在unix中所有进程可以I/O操作的对象都可以当作“文件”，从而都会使用一个文件描述符来对其进行访问，包括打开文件、目录、设备、创建一个管道，即都可以看作字节流来访问。

shell默认会一直打开3个文件描述符：0(stdin), 1(stdout), 2(stderr)。文件描述符其实就是一个与访问对象绑定的整数，从0开始依次加1；新分配的文件描述符总是当前进程未被使用的最小描述符。

通过文件描述符和fork可以实现shell中的I/O重定向。fork出来的子进程会与父进程共享文件描述符表（也是在内存中），所以父进程打开了哪些文件，子进程就可以直接去访问那些文件；而exec虽然会替换掉当前进程空间，但是它会将文件描述符表保存下来。因此，shell可以通过“fork+打开重定向的文件+exec”来实现I/O重定向了。下面是 cat < input.txt 的例子，cat默认会从0描述符中读，往1描述符中写：

• close(0)关闭0描述符
• open打开需重定向的文件，返回当前可用的最小描述符，即0，因此0描述符便和input.txt文件绑定
• exec("cat",argv)执行cat命令，由于exec会将文件描述表保存下来，因此cat会从0描述符读取，就相当于从input.txt文件中读取，然后往1(stdout)描述符中写，从而实现了读取重定向
• 输出重定向也是类似的，通过close(1)和open()，将重定向文件与1描述符绑定

需要说明的是，fork会在父子进程间共享文件描述符表，但是一旦某一方对其进行修改了则会copy一份，然而文件偏移则是一直共享的，即一方写完后另一方再写则是连续下去写的，看下面一个例子：

输出结果：

除了fork是会共享文件偏移的，dup系统调用复制的一个新文件描述符也与原描述符共享文件偏移（dup返回的描述符也是当前可用的最小描述符）：

输出结果也是：hello world

管道Pipes

管道是一段内核缓冲区，有一对文件描述符对其进行操作，即一个写一个读，可用于进程间通信。下面看一个例子：

• 通过pipe系统调用创建一个管道，并将其读写文件描述符保存在 数组p中（p[0]:read, p[1]:write）
• 通过fork创建子进程，父子进程共享p[0]和p[1]
• 子进程：通过dup将p[0]与0(stdin)绑定，之后执行/bin/wc程序时即会从p[0]描述符中读取输入
• 父进程：直接往p[1]中写，即此时管道中有数据了，然后子进程便会读取数据进行操作；当然父进程中也可以通过exec执行命令自动往p[1]中写入数据 —— 即通过close(1); dup(p[1]);将p[1]描述符与1(stdout)绑定

shell中的管道也可以像上面这么实现，如 ls | wc -l

• 创建1个管道
• 调用2次fork，创建2个子进程，分别调用runcmd()来处理管道左边和右边的命令
  • 左边负责往管道写 — close(1); dup(p[1]);
  • 右边负责从管道读 — close(0); dup(p[0]);
• 父进程调用2次wait，等待2个子进程结束再返回

文件系统

文件系统包括文件和目录，其中目录是一种树形的结构，根结点为root目录。

在文件系统中涉及到的系统调用有：

• chdir 切换目录，mkdir 创建目录
• mknod 创建设备文件 - mknod(设备文件名，主设备号， 次设备号)
• open/read/write 操作文件
• fstat 获取文件描述符指向文件对象的信息
• link 创建(硬)链接，即有多个文件名指向相同的索引节点inode，因此当把其中一个删除了，其他文件的内容仍然保留
• symlink 创建软链接文件，该文件指向新的inode，并记录了指向原文件inode的路径信息，当把原文件删除了，该链接文件的内容也不存在了
• unlink 删除一个文件并减少它的链接数，只有当这个文件对应的inode节点的链接数为0且没有指向它的文件描述符时，才会释放对应的磁盘空间

类unix可以将文件系统的操作实现为用户级别的程序（如: mkdir, ln, rm ...），而不是嵌入在shell中，因此在shell中只需要通过exec来加载对应的可执行文件（如: /bin/mkdir），即可实现用户想执行的命令行功能。但有一个例外：cd命令，因为shell执行命令是通过fork创建子进程来执行的，这样的话对于cd命令就只是子进程切换了目录，父进程并没有，从而用户输入下一条命令时还是从父进程处fork一份去执行，因此目录始终是原始目录。所以，cd命令需要在shell中实现（直接调用chdir syscall），而不是通过在一个用户程序中实现，然后在shell中调用exec("/bin/cd")来执行。

总结

上述的shell主要实现了单条命令执行、文件重定向、和管道这三种类型。实际的shell中还可支持括号包围的指令作为整体执行，命令间用分号分割等，这些更多的是功能层面上的，可以花样百出，但涉及到与操作系统的交互主要还是上述的三个基本功能。