配套 第 3 篇：进程 API、第 2 篇：进程
语言 Python 3（os 模块几乎原样暴露系统调用）；想用 C 也完全可以
验收 ⭐ 和 bash 的输出逐字节 diff。裁判是 bash，不是我。

为什么做这个

第 3 篇讲过：fork 和 exec 之间那道缝，是 shell 全部功能的所在地。重定向、管道、改工作目录，全在那道缝里。

看懂那句话和自己写出来，是两回事。

环境

docker run --rm -it -v "$PWD:/lab" -w /lab oslab bash

起步骨架

#!/usr/bin/env python3
# mysh.py
import os, sys

def parse(line):
    """先用最笨的办法：按空格切。后面再改。"""
    return line.strip().split()

def run(argv):
    if not argv:
        return
    if argv[0] == "exit":
        sys.exit(0)
    if argv[0] == "cd":                    # ⚠️ cd 必须在父进程里做，想想为什么
        os.chdir(argv[1] if len(argv) > 1 else os.path.expanduser("~"))
        return
    pid = os.fork()
    if pid == 0:
        try:
            os.execvp(argv[0], argv)
        except FileNotFoundError:
            print(f"mysh: {argv[0]}: command not found", file=sys.stderr)
        os._exit(127)                      # ⚠️ 这里必须是 _exit，不是 exit
    else:
        os.waitpid(pid, 0)

def main():
    while True:
        try:
            line = input("mysh$ ")
        except EOFError:
            break
        run(parse(line))

main()

⚠️ 两个坑已经埋在注释里了，动手前先想清楚：

  1. cd 为什么不能 fork 出去做？（提示：子进程改的是谁的工作目录？）
  2. 子进程里为什么必须 os._exit 而不是 sys.exit？（提示：第 1 篇踩过这个坑——缓冲区。）

任务

任务一：跑通一条命令

让上面的骨架能跑 ls -l、echo hello、/bin/date。

验收：

echo -e 'echo hello\nls /etc/hostname\nexit' | python3 mysh.py

任务二：重定向

支持 >、>>、<。

⭐ 实现要点全在第 3 篇第四节：在 fork 之后、exec 之前，用 os.dup2 把 0/1/2 号描述符换掉。

验收（diff 说了算）：

cat > t.sh <<'EOF'
ls /etc > out1.txt
echo hello >> out1.txt
wc -l < out1.txt
exit
EOF
python3 mysh.py < t.sh > mine.txt 2>&1
bash          < t.sh > theirs.txt 2>&1
diff mine.txt theirs.txt && echo "★ 通过"

任务三：管道

支持 a | b，然后支持任意长的 a | b | c | d。

实现要点：

1. os.pipe() 得到 (r, w)
2. fork 出左边：把 w 接到它的 1 号，关掉 r 和 w
3. fork 出右边：把 r 接到它的 0 号，关掉 r 和 w
4. ★ 父进程也必须关掉 r 和 w
5. 两个都 wait

⚠️ 第 4 步是最容易漏的，漏了的症状是程序挂住。 想清楚为什么：管道的读端在所有持有写端的进程都关闭之后才会读到 EOF。父进程留着写端不放，右边就永远等不到结束。

验收：

echo 'cat /etc/services | grep tcp | wc -l' > t.sh; echo exit >> t.sh
diff <(python3 mysh.py < t.sh) <(bash < t.sh) && echo "★ 通过"

任务四：后台任务

支持结尾的 &：不 wait，直接返回提示符。

⚠️ 然后你就会攒僵尸（第 3 篇第五节）。请在每次显示提示符之前，用 os.waitpid(-1, os.WNOHANG) 循环收掉所有已经结束的子进程。

验收：

# 起 20 个后台任务，然后检查有没有僵尸
{ for i in $(seq 20); do echo "sleep 0.1 &"; done; echo "sleep 1"; echo exit; } > t.sh
python3 mysh.py < t.sh
ps -eo stat --no-headers | grep -c Z    # ★ 应该是 0

任务五：信号

  • Ctrl-C 只该杀掉前台的子进程，不该杀掉你的 shell。
  • 前台子进程在跑的时候，shell 本身要忽略 SIGINT。

验收： 跑一个 sleep 100，按 Ctrl-C。sleep 死掉，提示符回来，shell 还活着。

⚠️ 别忘了第 3 篇第六节那两条：SIGCHLD 不排队（同时退出的多个后台任务只会给你一个信号，所以要 while ... WNOHANG 收干净），以及处理函数里只置标志位、真正的活儿留给主循环。

⭐ 想做得完全对，还需要进程组和 tcsetpgrp——那已经超出这门课的范围了。做到"shell 不死"即可。

挑战（可选）

  • $?：上一条命令的退出码。
  • 变量展开：echo $HOME。
  • 通配符：ls *.py。⚠️ 注意：这个是由 shell 展开的，不是由 ls 展开的——ls 收到的是已经展开好的一串文件名。
  • && 和 ||：短路。

交上来之前自查

  1. 每一个 fork 出来的子进程，都被 wait 过吗？（前台的同步 wait，后台的 WNOHANG 收）
  2. 每一个 os.pipe() 拿到的描述符，在所有三个进程里都关干净了吗？
  3. exec 失败的时候，子进程会怎样？会不会变成第二个 shell？
  4. 起一千条命令，ls /proc/self/fd 会不会越来越多？

⭐ 第 4 条是描述符泄漏的自查，做法和第 9 篇查内存泄漏是一个思路：跑一万遍，看那个数字涨不涨。