Python으로 자신만의 셸을 만드는 방법(1부)

쉘(bash, csh 등)이 내부적으로 어떻게 작동하는지 알고 싶습니다. 그래서 호기심을 충족시키기 위해 Python을 사용하여 yosh(Your Own Shell)이라는 쉘을 구현해봤습니다. 이 글에서 소개한 개념은 다른 프로그래밍 언어에도 적용될 수 있습니다.

(팁: 이 블로그 게시물에 사용된 소스 코드는 여기에서 찾을 수 있으며 코드는 MIT 라이센스에 따라 릴리스됩니다. Mac OS X 10.11.5에서 Python 2.7.10 및 3.4.3으로 테스트했습니다. . Linux 및 Windows의 Cygwin과 같은 다른 Unix 계열 환경에서 실행되어야 합니다.

시작해 보겠습니다.

0단계: 프로젝트 구조

이 프로젝트에서는 다음과 같은 프로젝트 구조를 사용했습니다.

yosh_project
|-- yosh
   |-- __init__.py
   |-- shell.py

yosh_project는 프로젝트 루트 디렉터리입니다. 간단히 이름을 yosh으로 지정할 수도 있습니다.

yosh은 패키지 디렉터리이고, __init__.py는 패키지와 동일한 디렉터리 이름을 가진 패키지로 만들 수 있습니다(파이썬으로 작성하지 않는 경우 무시해도 됩니다.)

shell.py은 기본 스크립트 파일입니다.

1단계: 셸 루프

셸을 시작하면 명령 프롬프트가 표시되고 명령 입력을 기다립니다. 입력된 명령을 수신하고 실행한 후(문서 뒷부분에서 자세히 설명) 쉘이 여기로 돌아와서 다음 명령을 기다리는 루프를 반복합니다.

shell.py에서는 다음과 같이 shell_loop() 함수를 호출하는 간단한 기본 함수로 시작합니다.

def shell_loop():
    # Start the loop here
def main():
    shell_loop()
if __name__ == "__main__":
    main()

그런 다음 shell_loop()에서 루프 여부에 대한 지침을 확인합니다. 계속하거나 중지하려면 상태 플래그를 사용합니다. 루프가 시작될 때 쉘은 명령 프롬프트를 표시하고 명령 입력이 읽힐 때까지 기다립니다.

import sys
SHELL_STATUS_RUN = 1
SHELL_STATUS_STOP = 0
def shell_loop():
    status = SHELL_STATUS_RUN
    while status == SHELL_STATUS_RUN:
        ### 显示命令提示符
        sys.stdout.write('> ')
        sys.stdout.flush()
        ### 读取命令输入
        cmd = sys.stdin.readline()

이후에는 명령 입력을 토큰화하고 실행합니다(tokenize 및 execute 기능을 구현하려고 합니다).

따라서 shell_loop()는 다음과 같습니다.

import sys
SHELL_STATUS_RUN = 1
SHELL_STATUS_STOP = 0
def shell_loop():
    status = SHELL_STATUS_RUN
    while status == SHELL_STATUS_RUN:
        ### 显示命令提示符
        sys.stdout.write('> ')
        sys.stdout.flush()
        ### 读取命令输入
        cmd = sys.stdin.readline()
        ### 切分命令输入
        cmd_tokens = tokenize(cmd)
        ### 执行该命令并获取新的状态
        status = execute(cmd_tokens)

이것이 전체 쉘 루프입니다. python shell.py을 사용하여 셸을 시작하면 명령 프롬프트가 표시됩니다. 그러나 명령을 입력하고 Enter 키를 누르면 아직 tokenize 함수를 정의하지 않았기 때문에 오류가 발생합니다.

쉘을 종료하려면 Ctrl-C를 입력해 보세요. 나중에 쉘을 정상적으로 종료하는 방법을 설명하겠습니다.

2단계: 명령 토큰화

사용자가 셸에 명령을 입력하고 Enter 키를 누르면 명령은 명령 이름과 해당 매개변수 문자열을 포함하는 긴 문자가 됩니다. 따라서 문자열을 분할해야 합니다(문자열을 여러 튜플로 분할).

얼핏 보면 단순해 보입니다. cmd.split()을 사용하여 입력을 공백으로 구분할 수 있습니다. ls -a my_folder과 같은 명령에 작동합니다. 명령을 목록 ['ls', '-a', 'my_folder']으로 분할하여 쉽게 처리할 수 있기 때문입니다.

그러나 echo "<span class="wp_keywordlink">Hello World</span>" 또는 echo 'Hello World'과 같이 매개변수가 작은따옴표나 큰따옴표로 묶인 상황도 있습니다. cmd.spilt를 사용하면 2개의 태그 목록 ['echo', '"Hello', 'World"'] 대신 3개의 태그 목록 ['echo', 'Hello World']을 얻게 됩니다.

다행히도 Python은 마법처럼 명령을 분할하는 데 도움이 되는 shlex이라는 라이브러리를 제공합니다. (팁: 정규 표현식을 사용할 수도 있지만 이 기사의 초점은 아닙니다.)

import sys
import shlex
...
def tokenize(string):
    return shlex.split(string)
...

그런 다음 이러한 튜플을 실행 프로세스로 보냅니다.

3단계: 실행

이것은 쉘의 핵심이자 흥미로운 부분입니다. 쉘이 mkdir test_dir을 실행하면 정확히 무슨 일이 발생하나요? (팁: mkdir은 test_dir라는 디렉터리를 생성하는 데 사용되는 test_dir 매개변수가 있는 실행 프로그램입니다.)

execvp은 이 단계에 필요한 첫 번째 기능입니다. execvp의 기능을 설명하기 전에 실제로 작동하는 모습을 살펴보겠습니다.

import os
...
def execute(cmd_tokens):
    ### 执行命令
    os.execvp(cmd_tokens[0], cmd_tokens)
    ### 返回状态以告知在 shell_loop 中等待下一个命令
    return SHELL_STATUS_RUN
...

쉘을 다시 실행하고 mkdir test_dir 명령을 입력한 후 Enter를 누르세요.

Enter 키를 누른 후 문제는 쉘이 다음 명령을 기다리지 않고 직접 종료된다는 것입니다. 그러나 디렉터리가 올바르게 만들어졌습니다.

그럼 execvp은 실제로 무슨 일을 하는 걸까요?

execvp 是系统调用 exec 的一个变体。第一个参数是程序名字。v 表示第二个参数是一个程序参数列表（参数数量可变）。p 表示将会使用环境变量 PATH 搜索给定的程序名字。在我们上一次的尝试中，它将会基于我们的 PATH 环境变量查找mkdir 程序。

（还有其他 exec 变体，比如 execv、execvpe、execl、execlp、execlpe；你可以 google 它们获取更多的信息。）

exec 会用即将运行的新进程替换调用进程的当前内存。在我们的例子中，我们的 shell 进程内存会被替换为 mkdir 程序。接着，mkdir 成为主进程并创建 test_dir 目录。最后该进程退出。

这里的重点在于我们的 shell 进程已经被 mkdir 进程所替换。这就是我们的 shell 消失且不会等待下一条命令的原因。

因此，我们需要其他的系统调用来解决问题：fork。

fork 会分配新的内存并拷贝当前进程到一个新的进程。我们称这个新的进程为子进程，调用者进程为父进程。然后，子进程内存会被替换为被执行的程序。因此，我们的 shell，也就是父进程，可以免受内存替换的危险。

让我们看看修改的代码。

...
def execute(cmd_tokens):
    ### 分叉一个子 shell 进程
    ### 如果当前进程是子进程，其 `pid` 被设置为 `0`
    ### 否则当前进程是父进程的话，`pid` 的值
    ### 是其子进程的进程 ID。
    pid = os.fork()
    if pid == 0:
    ### 子进程
        ### 用被 exec 调用的程序替换该子进程
        os.execvp(cmd_tokens[0], cmd_tokens)
    elif pid > 0:
    ### 父进程
        while True:
            ### 等待其子进程的响应状态（以进程 ID 来查找）
            wpid, status = os.waitpid(pid, 0)
            ### 当其子进程正常退出时
            ### 或者其被信号中断时，结束等待状态
            if os.WIFEXITED(status) or os.WIFSIGNALED(status):
                break
    ### 返回状态以告知在 shell_loop 中等待下一个命令
    return SHELL_STATUS_RUN
...

当我们的父进程调用 os.fork() 时，你可以想象所有的源代码被拷贝到了新的子进程。此时此刻，父进程和子进程看到的是相同的代码，且并行运行着。

如果运行的代码属于子进程，pid 将为 0。否则，如果运行的代码属于父进程，pid 将会是子进程的进程 id。

当 os.execvp 在子进程中被调用时，你可以想象子进程的所有源代码被替换为正被调用程序的代码。然而父进程的代码不会被改变。

当父进程完成等待子进程退出或终止时，它会返回一个状态，指示继续 shell 循环。

运行

现在，你可以尝试运行我们的 shell 并输入 mkdir test_dir2。它应该可以正确执行。我们的主 shell 进程仍然存在并等待下一条命令。尝试执行 ls，你可以看到已创建的目录。

但是，这里仍有一些问题。

第一，尝试执行 cd test_dir2，接着执行 ls。它应该会进入到一个空的 test_dir2 目录。然而，你将会看到目录并没有变为 test_dir2。

第二，我们仍然没有办法优雅地退出我们的 shell。

我们将会在下篇解决诸如此类的问题。

위 내용은 Python으로 자신만의 셸을 만드는 방법(1부)의 상세 내용입니다. 자세한 내용은 PHP 중국어 웹사이트의 기타 관련 기사를 참조하세요!