如何用Python创建自己的 Shell（上）

我很想知道一个 shell （像 bash，csh 等）内部是如何工作的。于是为了满足自己的好奇心，我使用 Python 实现了一个名为yosh （Your Own Shell）的 Shell。本文章所介绍的概念也可以应用于其他编程语言。

（提示：你可以在这里查找本博文使用的源代码，代码以 MIT 许可证发布。在 Mac OS X 10.11.5 上，我使用 Python 2.7.10 和 3.4.3 进行了测试。它应该可以运行在其他类 Unix 环境，比如 Linux 和 Windows 上的 Cygwin。）

让我们开始吧。

步骤 0：项目结构

对于此项目，我使用了以下的项目结构。

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

yosh_project 为项目根目录（你也可以把它简单命名为 yosh）。

yosh 为包目录，且 __init__.py 可以使它成为与包的目录名字相同的包（如果你不用 Python 编写的话，可以忽略它。）

shell.py 是我们主要的脚本文件。

步骤 1：Shell 循环

当启动一个 shell，它会显示一个命令提示符并等待你的命令输入。在接收了输入的命令并执行它之后（稍后文章会进行详细解释），你的 shell 会重新回到这里，并循环等待下一条指令。

在 shell.py 中，我们会以一个简单的 main 函数开始，该函数调用了 shell_loop() 函数，如下：

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

接着，在 shell_loop() 中，为了指示循环是否继续或停止，我们使用了一个状态标志。在循环的开始，我们的 shell 将显示一个命令提示符，并等待读取命令输入。

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()

之后，我们切分命令（tokenize）输入并进行执行（execute）（我们即将实现 tokenize 和 execute 函数）。

因此，我们的 shell_loop() 会是如下这样：

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)

这就是我们整个 shell 循环。如果我们使用 python shell.py 启动我们的 shell，它会显示命令提示符。然而如果我们输入命令并按回车，它会抛出错误，因为我们还没定义 tokenize 函数。

为了退出 shell，可以尝试输入 ctrl-c。稍后我将解释如何以优雅的形式退出 shell。

步骤 2：命令切分tokenize

当用户在我们的 shell 中输入命令并按下回车键，该命令将会是一个包含命令名称及其参数的长字符串。因此，我们必须切分该字符串（分割一个字符串为多个元组）。

咋一看似乎很简单。我们或许可以使用 cmd.split()，以空格分割输入。它对类似 ls -a my_folder 的命令起作用，因为它能够将命令分割为一个列表 ['ls', '-a', 'my_folder']，这样我们便能轻易处理它们了。

然而，也有一些类似 echo "<span class="wp_keywordlink">Hello World</span>" 或 echo 'Hello World' 以单引号或双引号引用参数的情况。如果我们使用 cmd.spilt，我们将会得到一个存有 3 个标记的列表 ['echo', '"Hello', 'World"'] 而不是 2 个标记的列表 ['echo', 'Hello World']。

幸运的是，Python 提供了一个名为 shlex 的库，它能够帮助我们如魔法般地分割命令。（提示：我们也可以使用正则表达式，但它不是本文的重点。）

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

然后我们将这些元组发送到执行进程。

步骤 3：执行

这是 shell 中核心而有趣的一部分。当 shell 执行 mkdir test_dir 时，到底发生了什么？（提示： mkdir 是一个带有test_dir 参数的执行程序，用于创建一个名为 test_dir 的目录。）

execvp 是这一步的首先需要的函数。在我们解释 execvp 所做的事之前，让我们看看它的实际效果。

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
...

再次尝试运行我们的 shell，并输入 mkdir test_dir 命令，接着按下回车键。

在我们敲下回车键之后，问题是我们的 shell 会直接退出而不是等待下一个命令。然而，目录正确地创建了。

因此，execvp 实际上做了什么？

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。

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