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使用 Python 创建你自己的 Shell （一）
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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。
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（提示：你可以在[这里](https://github.com/supasate/yosh)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。）
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让我们开始吧。
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### 步骤 0：项目结构
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对于此项目，我使用了以下的项目结构。
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```
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yosh_project
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|-- yosh
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|-- __init__.py
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|-- shell.py
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```
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`yosh_project` 为项目根目录（你也可以把它简单命名为 `yosh`）。
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`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。）
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`shell.py` 是我们主要的脚本文件。
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### 步骤 1：Shell 循环
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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。
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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：
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```
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def shell_loop():
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# Start the loop here
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def main():
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shell_loop()
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if __name__ == "__main__":
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main()
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```
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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。
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```
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import sys
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SHELL_STATUS_RUN = 1
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SHELL_STATUS_STOP = 0
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def shell_loop():
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status = SHELL_STATUS_RUN
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while status == SHELL_STATUS_RUN:
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### 显示命令提示符
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sys.stdout.write('> ')
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sys.stdout.flush()
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### 读取命令输入
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cmd = sys.stdin.readline()
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```
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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）。
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因此，我们的 shell_loop() 会是如下这样：
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```
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import sys
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SHELL_STATUS_RUN = 1
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SHELL_STATUS_STOP = 0
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def shell_loop():
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status = SHELL_STATUS_RUN
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while status == SHELL_STATUS_RUN:
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### 显示命令提示符
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sys.stdout.write('> ')
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sys.stdout.flush()
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### 读取命令输入
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cmd = sys.stdin.readline()
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### 切分命令输入
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cmd_tokens = tokenize(cmd)
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### 执行该命令并获取新的状态
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status = execute(cmd_tokens)
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```
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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。
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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。
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### 步骤 2：命令切分（tokenize）
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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）。
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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。
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然而，也有一些类似 `echo "Hello World"` 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']`。
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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。）
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import sys
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import shlex
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...
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def tokenize(string):
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return shlex.split(string)
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...
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```
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然后我们将这些元组发送到执行进程。
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### 步骤 3：执行
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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。）
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`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。
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```
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import os
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...
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def execute(cmd_tokens):
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### 执行命令
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os.execvp(cmd_tokens[0], cmd_tokens)
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### 返回状态以告知在 shell_loop 中等待下一个命令
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return SHELL_STATUS_RUN
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...
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```
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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。
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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。
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因此，`execvp` 实际上做了什么？
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`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。
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（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。）
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`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。
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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。
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因此，我们需要其他的系统调用来解决问题：`fork`。
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`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。
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让我们看看修改的代码。
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```
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...
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def execute(cmd_tokens):
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### 分叉一个子 shell 进程
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### 如果当前进程是子进程，其 `pid` 被设置为 `0`
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### 否则当前进程是父进程的话，`pid` 的值
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### 是其子进程的进程 ID。
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pid = os.fork()
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if pid == 0:
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### 子进程
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### 用被 exec 调用的程序替换该子进程
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os.execvp(cmd_tokens[0], cmd_tokens)
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elif pid > 0:
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### 父进程
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while True:
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### 等待其子进程的响应状态（以进程 ID 来查找）
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wpid, status = os.waitpid(pid, 0)
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### 当其子进程正常退出时
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### 或者其被信号中断时，结束等待状态
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if os.WIFEXITED(status) or os.WIFSIGNALED(status):
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break
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### 返回状态以告知在 shell_loop 中等待下一个命令
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return SHELL_STATUS_RUN
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...
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```
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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。
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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。
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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。
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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。
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### 运行
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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。
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但是，这里仍有一些问题。
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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`。
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第二，我们仍然没有办法优雅地退出我们的 shell。
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我们将会在 [第二部分][1] 解决诸如此类的问题。
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via: https://hackercollider.com/articles/2016/07/05/create-your-own-shell-in-python-part-1/
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作者：[Supasate Choochaisri][a]
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译者：[cposture](https://github.com/cposture)
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校对：[wxy](https://github.com/wxy)
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本文由 [LCTT](https://github.com/LCTT/TranslateProject) 原创编译，[Linux中国](https://linux.cn/) 荣誉推出
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[a]: https://disqus.com/by/supasate_choochaisri/
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[1]: https://hackercollider.com/articles/2016/07/06/create-your-own-shell-in-python-part-2/
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