60行C代码实现一个shell
继 300来行代码带你实现一个能跑的最小Linux文件系统 之后，我们来看看如何60行C代码实现一个shell！
在实现它之前，先看看这样做的意义。
美是有目共睹的。Unix之美，稍微体会，便能得到。
1969年，Unix初始，没有fork，没有exec，没有pipe，没有 “一切皆文件” ，但是那时它已经是Unix了。它简单，可塑。
Melvin Conway在1963年的论文中叙述fork思想时就解释说并行路径要用结果来交互，也就是在汇合的join点来同步结果。这个同步点所得到的，就是一个并行进程的 输出 。
在此之外，Unix还有另一个原则，就是 组合小程序！
Unix把一系列功能单一的小程序组合成一个复杂的逻辑，这个原则有以下优势：
每一个小程序都很容易编写。
每一个小程序可以分别完成。
每一个小程序可以分别迭代修复。
多个小程序可以自由组合。
…
这是典型的模块化思想，小到统筹佐餐烧饭，大到组成生命的嘌呤嘧啶，都不自觉地和这种模块化思想相契机，原来这就是真理。 程序尽量小，只做一件事并且做好它。
Unix程序在自身的逻辑之外对外暴露的只有输入和输出。那么 用输出连接另一个程序输入 就是一种好的方法。所谓Conway的join点对于Unix进程指的就是输出。
对外暴露的越少，程序越内聚。这是一种范式，类似RISC处理器也是抽象出仅有的load和store来和内存交互。
简单来讲，Unix程序通过输入和输出来彼此连接。下面是一幅来自Wiki的图示：
Unix的另一个原则，即著名的 “一切皆文件！” 连接输出和输入的那个管道在Unix中被实现为Pipe，显然，它也是文件，一个FIFO文件。
说实话，协作几个小程序形成一个大逻辑的思想还是来自于Convey，在Convey的论文里，他称为 协程， Pile可以说是直接实现了 Convey协程 之间的交互。有关这段历史，请看：
用Pipe连接作为输出和输入连接Unix进程可以做成什么事情呢？让我们去感受一个再熟悉不过的实例，即数学式子：
我们把运算符加号，乘号，除号(暂不考虑括号，稍后解释为什么)这些看作是程序(事实上它们也真的是)，那么类似数字3，5，7，6就是这些程序的输入了，这个式子最终需要一个输出，获得这个输出的过程如下：
数字3，5是加号程序的输入，3+5执行，它获得输出8.
第1步中的输出8连同数字7作为乘号程序的输入，8 × 7执行，获得输出56.
第2步中的输出56连同数字6作为除号的输入，…
这个数学式子的求值过程和pipe连接的Unix程序组合获得最终结果的过程完全一致。
如果你相信数学可以描述整个世界，那么Pipe连同Unix程序同样是描述这个世界的语言 。
在数学领域，程序 就是所有的运算符，加号，减号，乘号，除号，乘方，开方，求和，积分，求导…它们无一例外， 只做一件事。
在Unix看来也同样。它做的事情和下面的应该差不多，而且更多：
// plus.c
#include
int main(int argc, char **argv)
{
int a, b;
a = atoi(argv[1]);
b = atoi(argv[2]);
a = a + b;
printf("%d\n", a);
}
同样，我们可以写出除法，直到偏导的程序。然后我们通过pipe就能将它们组合成任意的数学式子。
现在谈谈Unix组合程序的具体写法，如果我们要化简薛定谔方程，我们应该如何用Unix命令写出与上述式子等价的组合程序命令行呢？我们无法像数学家手写那样随意使用括号，显然，计算机并不认识它。我们能够使用的只有两个符号：
代表具体Unix小程序的命令。
Pipe符号"|"。
换句话说，我们需要写出一个 链式组合表达式。 这时就要用到前缀表达式了。
数学式子里的括号，其实它无关紧要，括号只是给人看的，它规定一些运算的优先级顺序，这叫 中缀表达式 ，一个中缀表达式可以轻松被转换为 前缀表达式，后缀表达式 ，从而消除括号。事实上，Unix的Pipe最初也面临过这样的问题，到底是中缀好呢，还是前/后缀好呢？
我们现在使用的Unix/Linux命令，以cp举例：
cp $in $out
这是一个典型的前缀表达式，但是当pipe的发明者McIlroy最初引入pipe试图组合各个程序时，最初上面的命令行被建议成：
$in cp $out
就像我们的(3 + 5) × 8 一样。但是这非常不适合计算机处理的风格，计算机不得不首先扫描解析这个式子，试图：
理解 “括号括起来的要优先处理” 这句复杂的话；
区分哪些是输入，哪些是操作符…
对于式子(3 + 5) × 8 的求值，计算机更适合用一种在简单规则下非常直接的方式去 顺序执行 求解，这就是前缀表达式的优势。
× 8 + 35就是(3 + 5) × 8 的前缀表达式，可以看到，没有了括号。对于pipe组合程序而言，同样适用于这个原则。于是前缀命令成了pipe组合命令的首选，现如今，我们可以用：
pro1 $stdin|pro2|pro3|pro4|...|proX $stdout
轻松组合成任意复杂的逻辑。
Pipe协同组合程序的Unix原则是一个创举，程序就是一个加工过滤器，它把一系列的输入经过自己的程序逻辑生成了一系列的输出，该输出又可以作为其它程序的输入。
在Unix/Linux中，各种shell本身就实现了这样的功能，但是为了彻底理解这种处理方式的本质，只能自己写一个才行。来写一个微小的shell吧。
再次看上面提到的Unix Pipe的处理序列：
pro1 $stdin|pro2|pro3|pro4|...|proX $stdout
如果让一个shell处理以上组合命令，要想代码量少，典型方案就是递归，然后用Pipe把这些递归调用过程给串起来，基本逻辑如下：
int exec_cmd(CMD *cmd, PIPE pipe)
{
// 持续解析命令行，以pipe符号|分割每一个命令
while (cmd->next) {
PIPE pp = pipe_create();
if (fork() > 0) {
// 父进程递归解析下一个
exec_cmd(cmd->next, pp);
return 0;
}
// 子进程执行
dup_in_out(pp);
exec(cmd->cmdline);
}
if (fork() > 0) {
wait_all_child();
return 0;
} else {
dup_in_out(pp);
exec(cmd->cmdline);
}
}
按照上面的思路实现出来，大概60行左右代码就可以：
// tinysh.c
// gcc tinysh.c -o tinysh
#include
#include
#include
#include
#define CMD_BUF_LEN 512
char cmd[CMD_BUF_LEN] = {0};
void fork_and_exec(char *cmd, int pin, int pout)
{
if (fork() == 0) {
if (pin != -1) {
dup2 (pin, 0);
close(pin);
}
if (pout != -1) {
dup2 (pout, 1);
close(pout);
}
system(cmd);
exit(0);
}
if (pin != -1)
close(pin);
if (pout != -1)
close(pout);
}
int execute_cmd(char *cmd, int in)
{
int status;
char *p = cmd;
int pipefd[2];
while (*p) {
switch (*p) {
case '|':
*p++ = 0;
pipe(pipefd);
fork_and_exec(cmd, in, pipefd[1]);
execute_cmd(p, pipefd[0]);
return 0;
default:
p++;
}
}
fork_and_exec(cmd, in, -1);
while(waitpid(-1, &status, WNOHANG) != -1);
return 0;
}
int main(int argc, char **argv)
{
while (1) {
printf("tiny sh>>");
gets(cmd);
if (!strcmp(cmd, "q")) {
exit(0);
} else {
execute_cmd(cmd, -1);
}
}
return 0;
}
下面是执行tinysh的结果：
[root@10 test]# ls -l
总用量 28
-rw-r--r-- 1 root root 0 9月 1 05:39 a
-rwxr-xr-x 1 root root 9000 9月 1 05:38 a.out
-rw-r--r-- 1 root root 0 9月 1 05:39 b
-rw-r--r-- 1 root root 0 9月 1 05:39 c
-rw-r--r-- 1 root root 0 9月 1 05:39 d
-rw-r--r-- 1 root root 0 9月 1 05:39 e
-rwxr-xr-x 1 root root 9000 9月 1 05:38 tinysh
-rw-r--r-- 1 root root 1167 9月 1 05:38 tinysh.c
[root@10 test]# ./tinysh
tiny sh>>ls -l |wc -l
9
tiny sh>>cat /etc/inittab |grep init
# inittab is no longer used when using systemd.
tiny sh>>cat /etc/inittab |grep init|wc -l
1
tiny sh>>q
[root@10 test]#
递归解析的过程中fork/exec，一气呵成，这就是一个最简单shell实现。它可完成组合程序的执行并给出结果。
这个tiny shell命令解析器的逻辑可以表示如下：
的计算，我需要写表示四则混合运算符的Unix程序，首先看加号运算符程序，将上文中plus.c改成从标准输入读取加数即可：
// plus.c
// gcc plus.c -o plus
#include
#include
int main(int argc, char **argv)
{
float a, b;
a = atof(argv[1]);
scanf("%f", &b);
b = b + a;
printf("%f\n", b);
}
再看减法运算符程序代码：
// sub.c
// gcc sub.c -o sub
#include
#include
int main(int argc, char **argv)
{
float a, b;
a = atof(argv[1]);
scanf("%f", &b);
b = b - a;
printf("%f\n", b);
}
接下来是乘法和除法的代码：
// times.c
// gcc times.c -o times
#include
#include
int main(int argc, char **argv)
{
float a, b;
a = atof(argv[1]);
scanf("%f", &b);
b = b*a;
printf("%f\n", b);
}
// div.c
// gcc div.c -o div
#include
#include
int main(int argc, char **argv)
{
int a, b;
a = atof(argv[1]);
scanf("%d", &b);
b = b/a;
printf("%d\n", b);
}
可以看到，这些都是非常简单的程序，但是任意组合它们便可以实现任意四则运算，我们看看这个如何组合。
首先在标准的Linux bash中我们试一下：
[root@10 test]# ./plus 5|./times 7|./sub 20|./div 6
3
6.000000
[root@10 test]#
计算结果显然是正确的。现在我在自己实现的tinysh中去做类似的事情：
[root@10 test]# ./tinysh
tiny sh>>./plus 5|./times 7|./sub 20|./div 6
3
6.000000
tiny sh>>q
[root@10 test]#
可以看到，tinysh的行为和标准Linux bash的行为是一致的。
简单吧，简单！无聊吧，无聊！Pipe连接了若干小程序，每一个小程序只做一件事。
如果我们的系统中没有任何shell程序，比如我们没有bash，我们只有tinysh，加上以上这4个程序，一共5个程序，就可以完成任意算式的四则混合运算。
现在我们用以上的组合Unix程序的方法试试计算下面的式子：
根号怎么办？
按照非Unix的编程风格，就要在程序里写函数计算开根号，但是用Unix的风格，则只需要再加个开根号的程序即可：
// sqrt.c
// gcc sqrt.c -lm -o sqrt
#include
#include
#include
int main(int argc, char *argv[])
{
float b;
scanf("%f", &b);
b = sqrt(b);
printf("%f\n", b);
}
有了这个开根号的程序，结合已经有的四则运算程序，让我们的tinysh用pipe将它们串起来，就成了。好了，现在让我们计算上面的式子：
./tinysh
tiny sh>>./sqrt |./plus 3|./div 2
9
3.000000
tiny sh>>q
本文该结束了，后面要写的应该就是关于经典Unix IPC的内容了，是的，自从Pipe之后，Unix便开启了IPC，System V开始称为标准并持续引领着未来，但这是另一篇文章的话题了。
最后，来自Unix初创者之一Dennis M. Ritchie关于Unix的满满回忆，非常感人：
The Evolution of the Unix Time-sharing System ：
浙江温州皮鞋湿，下雨进水不会胖！
（完）
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