在终端输入命令后系统做了什么

背景

无论是使用 VNC 连接还是 SSH 连接,每天都在用终端去执行命令,今天来了解下在执行命令后,系统具体做了什么,如何做的。

Shell

shell 是一个程序,也是一种编程语言,一个管理进程和运行程序的程序,在 Linux 中有很多 shell 可选,比如 bash、zsh、fish 等等,shell 主要有 3 个功能:

  1. 运行程序
  2. 管理输入和输出
  3. 可编程

运行程序很容易理解,在终端上输入的每个命令都是一个可执行程序,我们在 shell 中输入并执行程序;管理输入和输出,在 shell 中可以使用 < > | 符合控制输入、输出重定向,可以告诉 shell 将进程的输入和输出连接到一个文件或者其他的进程;编程,shell 是一种编程语言,可以进行变量赋值、循环、条件判断等操作。

如何运行程序

shell 永远在等待用户输入,输入完成按下回车键后,开始执行相应命令(程序),然后等待程序执行完成后打印相应输出,伪代码:

1
2
3
4
while (! end_of_input)
get command
execute command
wait for command to finish

在 shell 中因为需要执行其他的程序,需要用到 execvpexecvp 会将指定的程序复制到调用它的进程,将指定的字符串组作为参数传递给程序,然后运行程序。这里存在一个问题, execvp 的执行过程是内核将程序加载到当前进程,替换当前进程的代码和数据,然后执行,那么原有进程的状态都被替换掉,在执行完程序就直接退出,不会再回到原程序等待下次输入。

为了保证我们在执行程序后回到 shell 中,需要每次创建新的进程来执行程序,调用 fork 指令,进程调用 fork 后,内核分配新的内存块和内核数据结构,复制原进程到新的进程,向运行进程添加新的进程,将控制返回给两个进程。通过 fork 返回值来判断当前进程是否为父进程或子进程。

shell 作为父进程通过调用 fork 创建子进程后,子进程通过 execvp 加载指定程序执行,父进程需要等待子进程退出,需要用到 wait ,在父进程 fork 出子进程后,父进程执行 wait 等待子进程执行,在调用时会传递一个整型变量地址,子进程执行完成后调用 exit 退出,内核将子进程的退出状态保存在这个变量中,用于父进程感知子进程退出状态。

Golang 简易实现

在 Golang 中可以调用 os/exec 来执行其他程序,然后在 main 中死循环不断的检测用户输入字符,同时也需要注意处理各种信号,比如 Ctrl-C 或者 Ctrl-D 之类的,下面是 Simon Jürgensmeyer 实现的一个简单的样例,可以了解一下:

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
33
34
35
36
37
38
39
40
41
42
43
44
45
46
47
48
49
50
51
52
53
54
55
56
57
58
59
60
61
package main

import (
"bufio"
"errors"
"fmt"
"os"
"os/exec"
"strings"
)

func main() {
reader := bufio.NewReader(os.Stdin)
for {
fmt.Print("> ")
// Read the keyboad input.
input, err := reader.ReadString('\n')
if err != nil {
fmt.Fprintln(os.Stderr, err)
}

// Handle the execution of the input.
if err = execInput(input); err != nil {
fmt.Fprintln(os.Stderr, err)
}
}
}

// ErrNoPath is returned when 'cd' was called without a second argument.
var ErrNoPath = errors.New("path required")

func execInput(input string) error {
// Remove the newline character.
input = strings.TrimSuffix(input, "\n")

// Split the input separate the command and the arguments.
args := strings.Split(input, " ")

// Check for built-in commands.
switch args[0] {
case "cd":
// 'cd' to home with empty path not yet supported.
if len(args) < 2 {
return ErrNoPath
}
// Change the directory and return the error.
return os.Chdir(args[1])
case "exit":
os.Exit(0)
}

// Prepare the command to execute.
cmd := exec.Command(args[0], args[1:]...)

// Set the correct output device.
cmd.Stderr = os.Stderr
cmd.Stdout = os.Stdout

// Execute the command and return the error.
return cmd.Run()
}

参考链接