【linux系统编程】剖析shell运行原理

深入理解shell工作原理

1. 简单介绍shell：

Windows以图形化界面为主要交互方式，简单高效，易于日常使用。Linux以命令行界面为主要交互方式，操作相较windows，mac来说比较困难一些，但linux也有向着图形化界面努力的桌面系统，例如ubuntu。Windows和Linux的交互方式虽然不同，但其本质上却是一样，图形化界面和命令行界面都是为了让用户进行相关操作，而图形化界面和命令行界面就是我们所说的 " 外壳程序 "。

Linux严格意义上来说是一个操作系统，我们称之为 "核心 (kernel) "，但我们一般用户不能直接使用kernel，而是通过kernel的 “外壳程序”，也就是所谓的Shell，来与 kernel 沟通。

我们常把shell描述为 " 命令行解释器 " ：
Shell只是所有外壳程序的统称，例如在centos 7当中默认的外壳程序名叫bash

而实质上shell的种类是很多的，以centos 7 为例：

• shell 将使用者的命令翻译给核心 (kernel) 处理
• shell 将核心的处理结果翻译给使用者

对于Windows中的图形化界面（GUI），使用Windows并不是直接操作Windows内核，而是通过图形接口，点击，从而完成我们的操作。Shell对于Linux具有相同的作用，主要是对我们发出的指令进行解析，解析指令交给Linux内核，内核进行运算运行出结果，再通过Shell呈现给用户

2. shell工作原理：

Linux系统提供给用户的最重要的系统程序是Shell命令语言解释程序。它不属于内核部分，而是在核心之外，以用户态方式运行。其基本功能是解释并执行用户敲入的各种命令，实现用户与Linux kernel 的接口。linux系统启动后，核心为每个终端用户建立一个进程去执行Shell解释程序。它的执行过程基本上按如下步骤：

• ① 读取用户由键盘输入(stdin)的命令行指令
• ② 分析命令，以命令名作为文件名，并将其它参数处理为系统调用execve( )内部处理所要求的形式
• ③ 终端进程调用fork( )创建一个子进程来代替执行命令行
• ④ 终端进程本身用系统调用wait_pid( )来等待子进程执行结束（如果是后台命令，则不等待）；当子进程运行时调用execve( )，子进程根据文件名（即命令名）到目录中查找有关文件（这是命令解释程序构成的文件），将它调入内存，执行这个程序（解释这条命令）
• ⑤ 如果命令末尾有&号（后台命令符号），则终端进程不用系统调用wait_pid( )等待，立即让用户输入下一个命令，转到①步骤；如果命令末尾没有&号，则终端进程要一直等待，当子进程（即运行命令的进程）完成处理后终止，向父进程（终端进程）发送退出信息(退出码和终止信号)，此时父进程被唤醒，在做必要的判别等工作后，终端进程发提示符，让用户输入新的命令，转到①重复上述处理过程

这里注意：上述步骤中提到的execve()是系统调用，linux中有一个exec族，包含六个exec函数，这里具体调用哪一个函数看它的具体实现~~

简单一点概括就是：

• ① fork创建子进程，让子进程进行命令行解释
• ② 子进程出现任何问题，都不影响父进程Shell，进程间具有相对独立性
• ③ 我们所使用的shell在执行完命令行后一直不会退出，本质上就是一直在fork子进程，然后让子进程代替父进程执行命令，子进程结束后向父进程发送退出信息，父进程处理退出信息 (防止子进程变为僵尸进程)，循环执行以上操作，这种机制在一定程度上保证了shell 的安全

对比到Windows当中就是，我们每运行一个程序就相当于创建了一个子进程，例如，登录微信，QQ，网易云；而这些子进程当中任何一个进程出现问题，都不会影响父进程，例如，当你的QQ出现卡死情况（程序异常）或你的QQ被关掉（程序终止），但其他子程序仍然可以运行，同时，我们依然可以通过双击的方式启动其他进程，也就是说，各种操作系统本质上让我们能直接使用的都是外壳程序，这种外壳程序在linux中叫做shell，我们在这层外壳上所做的任何操作都不会影响kernel，子进程的退出也不会影响到shell本身，这称为shell的安全机制。

例如我把QQ进程结束掉之后并不会影响Chrome进程，更不会对shell的后续操作产生影响，本质上进程间是相互独立的 （父子进程代码共享，数据各自私有）

3. 简单shell实现：

#include 
#include  
#include 
#include 
#include 
#include 

#define SIZE 1024
#define NUM 64
using namespace std;

int main()
{
   while (true)
   {
     //捕捉键盘输入
     printf("[iwannabe@localhost pwd]$ ");
     //fflush(stdout)，对标准输出流的清理，但是它并不是把数据丢掉。
     //而是及时地打印数据到屏幕上。
     //标准输出是以行为单位进行的，也即碰到\n才打印数据到屏幕。
     //这就可能造成延时。
     fflush(stdout);
     char buf[SIZE] = {0};
     fgets(buf, SIZE - 1, stdin);
     buf[strlen(buf) - 1] = '\0';//把最后的\n置为'\0'
     
      //解析键盘输入
      int myargc = 0;
      char* ptr = buf;
      char* myargv[NUM] = {NULL};
      while(*ptr != '\0')
      {
        if (*ptr != ' ')
        {
          myargv[myargc] = ptr;
          myargc++;
          while(*ptr != '\0'&&*ptr != ' ')
          {
            ptr++;
          }
         *ptr = '\0';
       }
        ptr++;
      }
      myargv[myargc] = NULL;
      if(strcmp("cd",myargv[0]) == 0)
      {
       chdir(myargv[1]);
       continue;
      }
      
      //创建子进程
      pid_t pid = fork();
      if(pid<0)
      {
        perror("fork error");
        continue;
      }
      else if (pid == 0)
      {
      //子进程执行对于命令名称的程序（程序替换）
        execvp(myargv[0], myargv);
        perror("execvp error");
        exit(-1);
      }
       //父进程等待
        wait(NULL);
    }
    return 0;
}

vim：

运行结果：