向勇 陈渝 李国良
2022年春季
shell
program
"系统调用"
例子，用C语言，来自UNIX（例如Linux、macOS、FreeBSD）。
fd = open("out", 1); write(fd, "hello\n", 6); pid = fork()
这些看起来像函数调用，但它们并不是
核心的系统调用数量并不多（20个左右）
int fork()
int exit(int status)
int wait(int *status)
*status
int kill (int pid)
int getpid()
int sleep(int n)
int exec(char *file，char *argv[])
char *sbrk(int n)
int open(char *file，int flags)
int write(int fd，char *buf，int n)
int read(int fd，char *buf，int n)
int close(int fd)
int dup(int fd)
int pipe(int p[])
int chdir(char *dir)
int mkdir(char *dir)
int mknod(char *file, int, int)
int fstat(int fd, struct stat *st)
*st
int stat(char *file, struct stat *st)
*file
int link(char *file1，char *file2)
int unlink(char *file)
分析一些非常简单的小程序
fork.c exec.c forkexec.c ...
list.c open.c echo.c copy.c ...
pipe1.c pipe2.c redirect.c ...
例如：copy.c，将输入复制到输出 从输入中读取字节，将其写入输出中
$ copy
copy.c是用C语言编写的
read()和write()是系统调用 read()/write()第一个参数是"文件描述符"(fd) 传递给内核，告诉它要读/写哪个 "打开的文件"。
必须先前已经打开过的一个FD（描述符）连接到一个文件/设备/socket 一个进程可以打开许多文件，有许多描述符 UNIX惯例：FD： 0是 "标准输入"，1是 "标准输出"
read()第二个参数是一个指针，指向要读入的一些内存。
read()第三个参数是要读取的最大字节数
注：read()可以少读，但不能多读
返回值：实际读取的字节数，或者-1表示错误 注意：copy.c并不关心数据的格式。 UNIX的I/O是8位字节 解释是特定于应用的，例如数据库记录、C源码等 文件描述符从何而来？
例如：open.c，创建一个文件
$ open $ cat output.txt
open() 创建一个文件，返回一个文件描述符（或-1表示错误）。 FD是一个小整数，FD索引到一个由内核维护的每进程表中
不同的进程有不同的FD命名空间。例如，FD 1对不同的进程意味不同
进一步细节可以参考UNIX手册，例如 "man 2 open"。 man 1是shell命令如ls；man 2是系统调用如open；man 3是函数说明
当程序调用open()这样的系统调用时会发生什么？
在向UNIX的命令行界面（shell）输入信息。 shell打印出"$"的提示。 shell让你运行UNIX的命令行工具 对系统管理、处理文件、开发和编写脚本很有用
$ ls $ ls > out $ grep x < out
但通过shell来支持分时共享多任务执行是UNIX设计之初的重点。 可以通过shell行使许多系统调用。
shell为你输入的每个命令创建一个新的进程，例如，对于
$ echo hello
fork()系统调用创建一个新的进程
$ fork
内核创建一个调用进程的副本
唯一的区别：fork()在父进程中返回一个pid，在子进程中返回0。 pid（进程ID）是一个整数，内核给每个进程一个不同的pid
因此，fork.c的 "fork()返回 "在两个进程中都会执行 "if(pid == 0) "实现对父子进程的区分
我们怎样才能在这个进程中运行一个新程序呢？
例如：exec.c，用一个可执行文件代替调用进程。 shell是如何运行一个程序的，例如
$ echo a b c
一个程序被储存在一个文件中：指令和初始内存，由编译器和链接器创建 所以有一个叫echo的文件，包含对 exec 系统调用的操作命令
exec
exec()用一个可执行文件取代当前进程
exec(filename, argument-array) argument-array保存命令行参数；exec传递给main()
cat user/echo.c
echo.c显示了一个程序如何看待它的命令行参数
例如：forkexec.c，fork()一个新进程，exec()一个程序。
$ forkexec
forkexec.c包含了一个常见的UNIX习惯用语。
shell对你输入的每个命令都进行fork/exec/wait操作。 在wait()之后，shell会打印出下一个提示信息 在后台运行 -- & -- , shell会跳过wait()
&
exit(status) --> wait(&status)
status约定：0 = 成功，1 = 命令遇到了一个错误 注意：fork()会复制，但exec()会丢弃复制的内存。 这可能看起来很浪费 你可以通过 "写时复制 "技术透明地消除复制
例子：redirect.c，重定向一个命令的输出 shell对此做了什么？
$ echo hello > out
答案：fork，改变子进程的FD1，执行echo
$ redirect $ cat output.txt
注意：open()总是选择最低的未使用的FD；选择1是由于close(1)。 fork、FD和exec很好地互动，以实现I/O重定向 独立的fork-then-exec给子进程一个机会在exec之前改变FD。 FDs提供了指示作用 命令只需使用FDs 0和1，不需要知道它们的位置 exec保留了sh设置的FDs 因此：只有sh需要知道I/O重定向，而不是每个程序
一些值得思考的问题：
UNIX的设计很好用，但我们会看到其他的设计
例子：pipe1.c，通过一个管道进行通信 shell是如何实现的
$ ls | grep x $ pipe1
一个FD可以指一个 "管道"，也可以指一个文件。 pipe()系统调用创建了两个FD
内核为每个管道维护一个缓冲区
例子：pipe2.c，在进程间通信。 管道与fork()结合得很好，可以实现ls | grep x。 shell创建一个管道。 然后分叉（两次）。 然后将ls的FD1连接到管道的写FD。 和grep的FD 0连接到管道上。
$ pipe2 -- 一个简化版本
管道是一个独立的抽象概念，但与 fork() 结合得很好
小结