Linux 0.11-shell 程序读取你的命令-43

Posted 2022-12-06 热爱编程的大忽悠

Linux 0.11-shell 程序读取你的命令-43

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shell 程序读取你的命令

新建一个非常简单的 info.txt 文件。

name:flash
age:28
language:java

在命令行输入一条十分简单的命令。

[root@linux0.11] cat info.txt | wc -l
3

这条命令的意思是读取刚刚的 info.txt 文件，输出它的行数。

在上一回，我们详细解读了从键盘敲击出这个命令，到屏幕上显示出这个命令，中间发生的事情。

那今天，我们接着往下走，下一步就是，shell 程序如何读取到你输入的这条命令的。

这里我们需要知道两件事情。

第一，我们键盘输入的字符，此时已经到达了控制台终端 tty 结构中的 secondary 这个队列里。

第二，shell 程序将通过上层的 read 函数调用，来读取这些字符。

// xv6-public sh.c
int main(void) 
    static char buf[100];
    // 读取命令
    while(getcmd(buf, sizeof(buf)) >= 0)
        // 创建新进程
        if(fork() == 0)
            // 执行命令
            runcmd(parsecmd(buf));
        // 等待进程退出
        wait();
    


int getcmd(char *buf, int nbuf) 
    ...
    gets(buf, nbuf);
    ...


char* gets(char *buf, int max) 
    int i, cc;
    char c;
  
    for(i=0; i+1 < max; )
      cc = read(0, &c, 1);
      if(cc < 1)
        break;
      buf[i++] = c;
      if(c == '\\n' || c == '\\r')
        break;
    
    buf[i] = '\\0';
    return buf;

看，shell 程序会通过 getcmd 函数最终调用到 read 函数一个字符一个字符读入，直到读到了换行符（\\n 或 \\r）的时候，才返回。

读入的字符在 buf 里，遇到换行符后，这些字符将作为一个完整的命令，传入给 runcmd 函数，真正执行这个命令。

那我们接下来的任务就是，看一下这个 read 函数是怎么把之前键盘输入并转移到 secondary 这个队列里的字符给读出来的。

read 函数是个用户态的库函数，最终会通过系统调用中断，执行 sys_read 函数。

// read_write.c
// fd = 0, count = 1
int sys_read(unsigned int fd,char * buf,int count) 
    struct file * file = current->filp[fd];
    // 校验 buf 区域的内存限制
    verify_area(buf,count);
    struct m_inode * inode = file->f_inode;
    // 管道文件
    if (inode->i_pipe)
        return (file->f_mode&1)?read_pipe(inode,buf,count):-EIO;
    // 字符设备文件
    if (S_ISCHR(inode->i_mode))
        return rw_char(READ,inode->i_zone[0],buf,count,&file->f_pos);
    // 块设备文件
    if (S_ISBLK(inode->i_mode))
        return block_read(inode->i_zone[0],&file->f_pos,buf,count);
    // 目录文件或普通文件
    if (S_ISDIR(inode->i_mode) || S_ISREG(inode->i_mode)) 
        if (count+file->f_pos > inode->i_size)
            count = inode->i_size - file->f_pos;
        if (count<=0)
            return 0;
        return file_read(inode,file,buf,count);
    
    // 不是以上几种，就报错
    printk("(Read)inode->i_mode=%06o\\n\\r",inode->i_mode);
    return -EINVAL;

关键地方我已经标上了注释，整体结构不看细节的话特别清晰。

这个最上层的 sys_read，把读取管道文件、字符设备文件、块设备文件、目录文件或普通文件，都放在了同一个方法里处理，这个方法作为所有读操作的统一入口，由此也可以看出 linux 下一切皆文件的思想。

read 的第一个参数是 0，也就是 0 号文件描述符，之前我们在讲第四部分的时候说过，shell 进程是由进程 1 通过 fork 创建出来的，而进程 1 在 init 的时候打开了 /dev/tty0 作为 0 号文件描述符。

// main.c
void init(void) 
    setup((void *) &drive_info);
    (void) open("/dev/tty0",O_RDWR,0);
    (void) dup(0);
    (void) dup(0);

而这个 /dev/tty0 的文件类型，也就是其 inode 结构中表示文件类型与属性的 i_mode 字段，表示为字符型设备，所以最终会走到 rw_char 这个子方法下，文件系统的第一层划分就走完了。

接下来我们看 rw_char 这个方法。

// char_dev.c
static crw_ptr crw_table[]=
    NULL,       /* nodev */
    rw_memory,  /* /dev/mem etc */
    NULL,       /* /dev/fd */
    NULL,       /* /dev/hd */
    rw_ttyx,    /* /dev/ttyx */
    rw_tty,     /* /dev/tty */
    NULL,       /* /dev/lp */
    NULL;      /* unnamed pipes */

int rw_char(int rw,int dev, char * buf, int count, off_t * pos) 
    crw_ptr call_addr;

    if (MAJOR(dev)>=NRDEVS)
        return -ENODEV;
    if (!(call_addr=crw_table[MAJOR(dev)]))
        return -ENODEV;
    return call_addr(rw,MINOR(dev),buf,count,pos);

根据 dev 这个参数，计算出主设备号为 4，次设备号为 0，所以将会走到 rw_ttyx 方法继续执行。

// char_dev.c
static int rw_ttyx(int rw,unsigned minor,char * buf,int count,off_t * pos) 
    return ((rw==READ)?tty_read(minor,buf,count):
        tty_write(minor,buf,count));

根据 rw == READ 走到读操作分支 tty_read，这就终于快和上一讲的故事接上了。

以下是 tty_read 函数，我省略了一些关于信号和超时时间等非核心的代码。

// tty_io.c
// channel=0, nr=1
int tty_read(unsigned channel, char * buf, int nr) 
    struct tty_struct * tty = &tty_table[channel];
    char c, * b=buf;
    while (nr>0) 
        ...
        if (EMPTY(tty->secondary) ...) 
            sleep_if_empty(&tty->secondary);
            continue;
        
        do 
            GETCH(tty->secondary,c);
            ...
            put_fs_byte(c,b++);
            if (!--nr) break;
         while (nr>0 && !EMPTY(tty->secondary));
        ...
    
    ...
    return (b-buf);

入参有三个参数，非常简单。

channel 为 0，表示 tty_table 里的控制台终端这个具体的设备。buf 是我们要读取的数据拷贝到内存的位置指针，也就是用户缓冲区指针。nr 为 1，表示我们要读出 1 个字符。

整个方法，其实就是不断从 secondary 队列里取出字符，然后放入 buf 指所指向的内存。

如果要读取的字符数 nr 被减为 0，说明已经完成了读取任务，或者说 secondary 队列为空，说明不论你任务完没完成我都没有字符让你继续读了，那此时调用 sleep_if_empty 将线程阻塞，等待被唤醒。

阻塞怎么做到? —> 设置当前线程状态为阻塞，然后调用进程调度接口，并且将当前线程加入到secondary 队列的线程阻塞列表中
唤醒怎么做到? —> 当键盘输入，触发对应的系统调用时，最终会往secondary 队列塞入元素，此时释放secondary 队列的线程阻塞列表所有线程，并设置每个线程状态为可调度

其中 GETCH 就是个宏，改变 secondary 队列的队头队尾指针，你自己写个队列数据结构，也是这样的操作，不再展开讲解。

#define GETCH(queue,c) \\
(void)(c=(queue).buf[(queue).tail];INC((queue).tail);)

同理，判空逻辑就更为简单了，就是队列头尾指针是否相撞。

#define EMPTY(a) ((a).head == (a).tail)

理解了这些小细节之后，再明白一行关键的代码，整个 read 到 tty_read 这条线就完全可以想明白了。那就是队列为空，即不满足继续读取条件的时候，让进程阻塞的 sleep_if_empty，我们看看。

sleep_if_empty(&tty->secondary);

// tty_io.c
static void sleep_if_empty(struct tty_queue * queue) 
    cli();
    while (!current->signal && EMPTY(*queue))
        interruptible_sleep_on(&queue->proc_list);
    sti();


// sched.c
void interruptible_sleep_on(struct task_struct **p) 
    struct task_struct *tmp;
    ...
    tmp=*p;
    *p=current;
repeat: current->state = TASK_INTERRUPTIBLE;
    schedule();
    if (*p && *p != current) 
        (**p).state=0;
        goto repeat;
    
    *p=tmp;
    if (tmp)
        tmp->state=0;

我们先只看一句关键的代码，就是将当前进程的状态设置为可中断等待。

current->state = TASK_INTERRUPTIBLE;

那么执行到进程调度程序时，当前进程将不会被调度，也就相当于阻塞了，不熟悉进程调度的同学可以复习一下 第23回 | 如果让你来设计进程调度。

进程被调度了，什么时候被唤醒呢？

当我们再次按下键盘，使得 secondary 队列中有字符时，也就打破了为空的条件，此时就应该将之前的进程唤醒了，这在上一回 第42回 | 用键盘输入一条命令 一讲中提到过了。

// tty_io.c
void do_tty_interrupt(int tty) 
    copy_to_cooked(tty_table+tty);


void copy_to_cooked(struct tty_struct * tty) 
    ...
    wake_up(&tty->secondary.proc_list);

可以看到，在 copy_to_cooked 里，在将 read_q 队列中的字符处理后放入 secondary 队列中的最后一步，就是唤醒 wake_up 这个队列里的等待进程。

而 wake_up 函数更为简单，就是修改一下状态，使其变成可运行的状态。

// sched.c
void wake_up(struct task_struct **p) 
    if (p && *p) 
        (**p).state=0;
    

总体流程就是这个样子的。

当然，进程的阻塞与唤醒是个体系，还有很多细节，我们下一回再仔细展开这部分的内容。

欲知后事如何，且听下回分解。

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