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操作系统实验 2-- 进程通信与 shell 实现

介绍

   本实验主要涉及到两个内容:进程通信和 shell 实现。进程通信的核心是使用一个 ** 共享内存区域 **,shell 的实现是为了更好地理解 ** 命令解释器 **。

进程通信

   进程间的数据是不共享的,如果我们需要若干个进程共享数据,就必须人为地创建一个数据共享区域。在这个实验中,我们使用子进程来生成一个 Fibonacci 数列,然后使用父进程来打印这个数列。

共享内存区域

   共享内存区域用于存储一个 Fibonacci 数列,定义如下:

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struct {
long fib_sequence [MAX_SEQUENCES];
int sequence_size;
} share_data;

共享内存函数调用

   以下是几个共享内存函数的调用:

  • 创建或打开共享存储区 (shmget):依据用户给出的整数值 key,创建新区或打开现有区,返回一个共享存储区 ID。
  • 连接共享存储区 (shmat):连接共享存储区到本进程的地址空间,返回共享存储区首地址。父进程已连接的共享存储区可被 fork 创建的子进程继承。
  • 拆除共享存储区连接 (shmdt):拆除共享存储区与本进程地址空间的连接。
  • 共享存储区控制 (shmctl):对共享存储区进行控制。如:共享存储区的删除需要显式调用 shmctl (shmid, IPC_RMID, 0);

   简要的用法是:

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#include <stdio.h>
#include <sys/shm.h>
#include <sys/stat.h>
int main()
{
/* the identifier for the shared memory segment */
int segment_id;
/* a pointer to the shared memory segment */
char* shared_memory;
/* the size (in bytes) of the shared memory segment */
const int segment_size = 4096;
/** allocate a shared memory segment */
segment_id = shmget (IPC_PRIVATE, segment_size, S_IRUSR | S_IWUSR);
/** attach the shared memory segment */
shared_memory = (char *) shmat (segment_id, NULL, 0);
printf("shared memory segment % d attached at address % p\n", segment_id, shared_memory);
/** write a message to the shared memory segment */
sprintf(shared_memory, "Hi there!");
/** now print out the string from shared memory */
printf("*% s*\n", shared_memory);
/** now detach the shared memory segment */
if ( shmdt (shared_memory) == -1) {
fprintf(stderr, "Unable to detach\n");
}
/** now remove the shared memory segment */
shmctl (segment_id, IPC_RMID, NULL);
return 0;
}

代码实现

   我们需要先连接共享内存区域,然后再使用 fork () 来创建子进程,生成数列,最后使用父进程打印数列。完整代码如下:

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#include <stdio.h>
#include <sys/shm.h>
#include <sys/stat.h>

#define MAX_SEQUENCES 10

#ifndef SHARE_H
#define SHARE_H
struct {
long fib_sequence [MAX_SEQUENCES];
int sequence_size;
} share_data;
#endif
int main(int argc, char const *argv [])
{
int i, sequenceSize;
/* handle argv */
if (argc != 2) {
fprintf(stderr, "Usage: ./fib <size>\n");
return -1;
}
sequenceSize = atoi (argv [1]);

if (sequenceSize > MAX_SEQUENCES) {
fprintf(stderr, "sequence size should be less than < % d\n", MAX_SEQUENCES);
return -1;
}

/* the identifier for the shared memory segment */
int segment_id;
/* a pointer to the shared memory segment */
struct share_data* shared_memory;

/* allocate a shared memory segment */
segment_id = shmget (IPC_PRIVATE, sizeof(share_data), S_IRUSR | S_IWUSR);
if (segment_id == -1) {
fprintf(stderr, "Allocate Shared Memory Fail!\n");
return 1;
}
printf("Create Shared Memory Successfully, segment_id = % d\n", segment_id);

/* attach the shared memory segment */
shared_memory = (share_data *) shmat (segment_id, NULL, 0);
if (shared_memory == (share_data *)-1) {
fprintf(stderr, "Attach Shared Memory Fail!\n");
return 0;
}

shared_memory->sequence_size = sequenceSize;
pid_t pid = fork ();
if (pid < 0) {
return 1;
}
/* child */
else if (pid == 0) {
shared_memory->fib_sequence [0] = 0;
shared_memory->fib_sequence [1] = 1;
for (int i = 2; i < shared_memory->sequence_size; i++) {
shared_memory->fib_sequence [i] = shared_memory->fib_sequence [i - 1] + shared_memory->fib_sequence [i - 2];
}
/* now detach the shared memory segment */
shmdt (shared_memory);
}
/* parent */
else {
printf("In Parent Process:\n");
for (int i = 0; i < shared_memory->sequence_size; i++) {
printf("shared_memory->fib_sequence [% d] = % d\n", i, shared_memory->fib_sequence [i]);
}
/* now detach the shared memory segment */
shmdt (shared_memory);
/* now remove the shared memory segment */
shmctl (segment_id, IPC_RMID, NULL);
}
return 0;
}

运行结果如下:
进程通信

shell 的简单实现

  shell 是一个简单的命令解释器,这里我们需要实现一个能够处理简单的命令的 shell。关键是使用 execvp () 来执行系统调用,从而执行我们输入的命令。同时,我们还需要这个 shell 具有记录历史输入的功能,用户输入 Ctrl+c 后,命令行显示历史记录并退出。

思路

   我们需要创建一个共享内存区域存储执行过的命令,在每一次执行命令前都先将命令存储,在执行后 ** 通过检查 execvp () 的返回值来判断是否成功执行 。若执行失败,则在共享内存中将该记录删除。为了实现后台,还需要使用 background 变量来判断该命令是在前台执行还是在后台执行。 在前台执行的命令需要等待子进程完成 **。

代码实现

   这里直接给出完整代码,里面含有详细的注释:

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#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/wait.h>
#include <string.h>
#include <signal.h>
#include <sys/shm.h>
#include <sys/stat.h>
#include <sys/types.h>
#include <wait.h>
#define MAX_LINE 80
/* setup () 用于读入下一行输入的命令,并将它分成没有空格的命令和参数存于数组 args [] 中,用 NULL 作为数组结束的标志 */


typedef struct {
//char *history [10][MAX_LINE];
char history [10][MAX_LINE];
int po;
int flag; // 0 for false; 1 for true
} shared_data;

/* the identifier for the shared memory segment */
int segment_id;
/* a pointer to the shared memory segment */
shared_data* shared_memory;

void setup(char inputBuffer [], char *args [],int *background) {
int length, /* 命令的字符数目 */
i, /* 循环变量 */
start, /* 命令的第一个字符位置 */
ct; /* 下一个参数存入 args [] 的位置 */

ct = 0;

/* 读入命令行字符,存入 inputBuffer */
length = read (STDIN_FILENO, inputBuffer, MAX_LINE);

start = -1;
if (length == 0) exit(0); /* 输入 ctrl+d,结束 shell 程序 */
if (length < 0) {
perror ("error reading the command");
exit(-1); /* 出错时用错误码 - 1 结束 shell */
}
/* 检查 inputBuffer 中的每一个字符 */
for (i=0;i<length;i++) {
switch (inputBuffer [i]) {
case ' ':
case '\t' : /* 字符为分割参数的空格或制表符 (tab)'\t'*/
if (start != -1) {
args [ct] = &inputBuffer [start];
ct++;
}
inputBuffer [i] = '\0'; /* 设置 C string 的结束符 */
start = -1;
break;

case '\n': /* 命令行结束 */
if (start != -1) {
args [ct] = &inputBuffer [start];
ct++;
}
inputBuffer [i] = '\0';
args [ct] = NULL; /* 命令及参数结束 */
break;

default : /* 其他字符 */
if (start == -1)
start = i;
if (inputBuffer [i] == '&') {
*background = 1; /* 置命令在后台运行 */
inputBuffer [i] = '\0';
}
}
}
args [ct] = NULL; /* 命令字符数 > 80 */
}

void handle_SIGINT() {
if (shared_memory->flag == 1) {
exit(0);
}
shared_memory->flag = 1;
printf("\nHistory:\n");
int i, j;
for (i = 0; i < shared_memory->po; i++) {
printf("% s\n", shared_memory->history [i]);
}
signal (SIGINT, SIG_IGN);
exit(0);
}

int main() {
char inputBuffer [MAX_LINE]; /* 这个缓存用来存放输入的命令 */
int background; /* ==1 时,表示在后台运行命令,即在命令后加上 '&' */
char *args [MAX_LINE/2 + 1]; /* 命令最多 40 个参数 */
for (int i = 0; i < MAX_LINE/2 + 1; i++) {
args [i] = NULL;
}
pid_t pid;
/*set up the signal handler */
struct sigaction handler;
handler.sa_handler = handle_SIGINT;
sigaction (SIGINT, &handler, NULL);

/* allocate a shared memory segment */
segment_id = shmget (IPC_PRIVATE, sizeof(shared_data), S_IRUSR | S_IWUSR);
if (segment_id == -1) {
fprintf(stderr, "Allocate Shared Memory Fail!\n");
return 1;
}
printf("Create Shared Memory Successfully, segment_id = % d\n", segment_id);
/* attach the shared memory segment */
shared_memory = (shared_data *) shmat (segment_id, NULL, 0);
if (shared_memory == (shared_data *)-1) {
fprintf(stderr, "Attach Shared Memory Fail!\n");
return 0;
}
shared_memory->flag = 0;
/* 程序在 setup 中正常结束 */
while (1) {
background = 0;
printf("COMMAND->");
fflush (stdout); // 输出缓存内容
setup (inputBuffer, args, &background); /* 获取下一个输入的命令 */
pid = fork ();
/* 创建失败 */
if (pid == -1) {
printf("Fork Error.\n");
}
else if (pid == 0) {
int j;
int k = 0;
for (j = 0; j < sizeof(args); j++) {
if (args [j] != NULL) {
for (int c = 0; c < strlen(args [j]); c++,k++) {
shared_memory->history [shared_memory->po][k] = args [j][c];
}
shared_memory->history [shared_memory->po][k++] = ' ';
}
else {
break;
}
}
shared_memory->history [shared_memory->po][k] = '\0';
shared_memory->po = (shared_memory->po + 1) % 10;

int error = execvp (args [0], args);
if (error == -1) {
shared_memory->po == 0 ? shared_memory->po = 0 : shared_memory->po--;
}
}
if (background == 0) {
wait (0);
}
else {
setup (inputBuffer, args, &background);
}
}
}

   运行后结果如下:
shell 命令

  • ① 使用 ls -a 命令查看当前目录下的所有文件 (包含隐藏文件) 。
  • ② 使用 touch test.md 命令创建一个名为 test.md 的文件。
  • ③ 使用 subl test.md 命令用 sublimeText 打开这个文件。
  • ④ 使用 ls 命令查看当前目录下的所有文件(不包含隐藏)。
  • Ctrl+c 命令查看历史输入的命令记录并退出程序,历史记录中只记录正确输入并成功执行的命令。

    小结

       相信完成这两个实验后,大家对于进程间的通讯有了一定的了解,并且也能够自己实现简单的 shell,这个实验的分享就到这里,谢谢!

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