操作系统课程作业实现shell.docx
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操作系统课程作业实现shell.docx
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操作系统课程作业实现shell
实验六简单shell
一、实验目的
通过实现一个简单的shell命令解释器,加深对Windows系统调用的理解,同时了解管道命令的设计实现机制。
二、实验容
在Windows平台上实现Linux的某些命令:
•展开指定目录:
myls[dir]
•文件查看和连接:
mycat[-n][file1file2……]
•显示文档的开头:
myheadnumberfilename
•排序:
mysort[file1file2……]
•统计可执行文件执行时间:
mytimeprogram1.exe
•复制文件:
mycpab
•自定义出错提示命令:
mysl
分别对应于Linux系统中的lscatheadsorttimecpsl命令,在具体设计实现的时候用法做了简化。
其中,mycat、myhead和mysort为三条管道命令,例如:
mysortfile1.txtfile2.txt|myhead6|mycat-n
三、程序设计与实现
1、程序中使用的结构体
(1)处理输入命令字符串的自定义结构体CMD,定义如下
structCMD{
intcmdposi[10];//记录每条管道命令在命令字符串中是第几个字符串
intlastcmdposi;//最后一条命令是第几条命令
intsubcmdparameter[10];//每条管道命令所带的参数个数
char*subcmd[10][10];//记录命令行中的每一个字符串
}cmd;
对于输入命令:
mysortfile1.txtfile2.txt|myhead6|mycat–n
字符串的位置:
012345678
cmdposi[]:
cmdposi[0]=0cmdposi[1]=4cmdposi[2]=7
subcmd[0]:
mysortfile1.txtfile2.txt
subcmd[][]subcmd[1]:
myhead6
subcmd[2]:
mycat–n
(2)创建进程时,PROCESS_INFORMATION结构返回有关新进程及其主线程的信息。
其结构定义如下:
typedefstruct_PROCESS_INFORMATION{
HANDLEhProcess;//新创建进程的句柄
HANDLEhThread;//新创建进程的主线程的句柄
DWORD dwProcessId;//新创建进程的标识
DWORD dwThreadId;//新创建进程的主线程的标识
}PROCESS_INFORMATION,*LPPROCESS_INFORMATION;
(3)获取系统时间时,使用到SYSTEMTIME结构体,其定义如下:
typedefstruct_SYSTEMTIME{
WORDwYear;//年
WORDwMonth;//月
WORDwDayOfWeek;//星期
WORDwDay;//天
WORDwHour;//小时
WORDwMinute;//分钟
WORDwSecond;//秒
WORDwMilliseconds;//毫秒
}SYSTEMTIME,*PSYSTEMTIME;
(4)在调用函数FindFirstFile、FindNextFile时,将找到的文件的信息存储在win32_FIND_DATA结构体中。
typedefstruct_WIN32_FIND_DATA{
DWORD dwFileAttributes;//文件属性
FILETIMEftCreationTime;//文件创建时间
FILETIMEftLastAccessTime;//文件最后一次访问时间
FILETIMEftLastWriteTime;//文件最后一次修改时间
DWORD nFileSizeHigh;//文件长度高32位
DWORD nFileSizeLow;//文件长度低32位
DWORD dwReserved0;//系统保留
DWORD dwReserved1;//系统保留
TCHAR cFileName[MAX_PATH];//长文件名
TCHAR cAlternateFileName[14];//8.3格式文件名
}WIN32_FIND_DATA,*PWIN32_FIND_DATA,*LPWIN32_FIND_DATA;
(5)FILETIME结构体用来记录文件时间,该结构是表示100纳秒间隔数为64位值从1601年一月1日。
typedefstruct_FILETIME{
DWORDdwLowDateTime;//低32位
DWORDdwHighDateTime;//高32位
}FILETIME,*PFILETIME,*LPFILETIME;
2、使用的主要WindowsAPI
(1)CreateNamedPipe()函数
作用:
创建命名管道
调用格式:
HANDLEWINAPICreateNamedPipe(
LPCTSTRlpName,//管道名称
DWORDdwOpenMode,//管道打开方式
DWORDdwPipeMode,//管道数据组织方式
DWORDnMaxInstances,//管道最大实例量
DWORDnOutBufferSize,//输出缓冲区长度
DWORDnInBufferSize,//输入缓冲区长度
DWORDnDefaultTimeOut,//默认等待时间
LPSECURITY_ATTRIBUTESlpSecurityAttributes//安全属性
);
说明:
调用成功返回管道的句柄,失败返回无效句柄值。
(2)ConnectNamedPipe()函数
作用:
管道创建者与客户进行连接
调用格式:
BOOLWINAPIConnectNamedPipe(
HANDLEhNamedPipe,//命名管道的句柄
LPOVERLAPPEDlpOverlapped//重叠属性
);
说明:
如果lpOverlapped为NULL,那么,若管道已经连接,就返回TRUE,若发生错误,或者管道已经连接,就返回0;如果lpOverlapped有效,就返回零。
(3)WaitNamedPipe()函数
作用:
客户等候与管道创建者建立连接
调用格式:
BOOLWINAPIWaitNamedPipe(
LPCTSTRlpNamedPipeName,//将要连接的管道名称
DWORDnTimeOut//等待时间,以秒为单位
);
说明:
当管道创建者已调用ConnectNamePipe()函数等待与一个客户连接时,该函数成功返回非0,如果失败,或者管道不存在,则返回0。
(4)DisconnectNamedPipe()函数
作用:
管道创建者断开与一个客户连接的命名管道
调用格式:
BOOLWINAPIDisconnectNamedPipe(_In_HANDLEhNamedPipe);
说明:
hNamedPipe为要断开管道的句柄,非0表示成功,0表示失败。
(5)其他的一些API已经在之前的四个实验中详细介绍过,故在此不做赘述。
有CreateProcess()、WaitForSingleObject()、GetSystemTime()、FindFirstFile()、FindNextFile()、CreateFile()、ReadFile()、WriteFile()、GetFileTime()、SetFileTime()、CreateDirectory()等。
四、实验结果及分析
1、实验结果
图一双管道命令
如上图一所示,首先显示file1.txt和file2.txt的容,myhead命令取前3行输出,mysort命令则是将那3行容排序后再输出,接着mycat命令最后加上行标再次输出。
图二单管道命令
如上图二所示,首先显示file1.txt和file2.txt的容,mysort命令将其排序后输出,接着myhead命令取其前3行输出。
图三mytime命令、myls命令
如上图三所示,mytime命令可以计算可执行程序的执行时间,myls命令可以展开指定目录,并显示文件名称、创建时间、修改时间和文件大小。
图四mycp命令
如上图四所示,mycp命令其实就是实验五的任务,在将其收录进我们shell中。
图五mysl命令
如上图五所示,在Linux系统中,ls命令是很常用的,所以程序员一旦不小心敲错了,误写成sl也是情有可原的,这时Linux的terminal会显示一辆跑动的小火车,以此提示程序员。
上述mysl命令的设计也是基于此,这也使得我们的shell变得生动有趣。
2、实验分析
(1)UNIX系统进程之间的通信方式简介以及对比
管道通信:
管道通信允许进程之间按照FIFO方式进行传输数据,一些进程用write命令向管道写入数据,另一些进程用read命令从管道中读数据,且彼此之间同步执行,管道通信是进程使用文件系统中文件进行的,只要通信的双方基本同步,可认为这个文件是无限大的。
无名管道是一个临时文件,当文件被关闭后,文件就不复存在了,它是提供给同族进程之间使用的通信办法。
有名管道则是实现了无家族关系进程之间的通信,任何知道管道名字的进程都可以打开使用,有名管道文件一旦被创建后,磁盘上有一个对应的目录项和索引节点,它与普通文件类似,是通过路径名存取的,只要这种文件不显示删除,它就永远存在,只是文件长度为零。
信号量:
信号量机制的功能是比较强的,它提供了信号量集合。
这种机制是通过P、V操作原语实现的,每次只进行单位数据的交互,通信效率比较低。
消息缓冲&共享存:
采用消息缓冲和共享存区是,进程之间可以进行大批数据的交互。
其中,信号量、消息缓冲和共享存区都属于UNIX系统V的交互进程通信使用的资源,又成IPC资源。
IPC属鸡的数据结构在进程之间请求IPC资源(信号量、消息队列和共享存区)
(2)Windows对于管道通信的设计机制简介
Windows最大的特点是建立一个简单的客户机/服务器程序设计体系,在这个体系结构中,在客户机与服务器之间,数据既可以单向传递,也可双向流动。
对命令管道服务器和客户机来说,两者的区别在于:
服务器是唯一一个有权创建命名管道的进程,也只有它才能接受管道客户机的连接请求。
对一个客户机应用来说,它只能同一个现成的命名管道服务器建立连接。
在客户机应用和服务器应用之间,一旦建立好连接,两个进程都能使用标准的Win32函数,在管道上进行数据的读取与写入。
(3)客户与服务器(管道创建者)之间使用管道通信的步骤:
a.建立连接,服务端通过函数CreateNamedPipe()创建一个命名管道的示例并返回用于今后操作的句柄。
客户端通过调用WaitNamedPipe()使服务进程等待来自客户的示例连接,如果在超时值变为0之前,有一个管道可以为连接使用,则WaitNamePipe()将返回TRUE,并通过CreateFile()来呼叫服务端的连接。
此时服务端将接受客户端的连接请求,成功建立连接,服务端ConnectNamedPipe()返回TRUE,客户端CreateFile()将返回一指向管道文件的句柄。
b.通信实现,连接建立之后,客户端与服务器使用得到的管道文件句柄通过调用WriteFile()和ReadFile(),彼此之间进行信息交换。
c.连接终止,当客户端与服务端的通信结束,客户端调用CloseHandle()断开连接;而服务端接着调用DisconnectNamedPipe()。
(4)实验设计简介
对于管道命令,本shell中只有myhead、mycat、mysort这三个管道命令。
相互协作可以实现管道(当然,这三个命令也可以单独使用),就拿myhead来说,它的调用形式只有如下四种形式:
****|myhead3|****
myhead3file1.txt
****|myhead3
myhead3file1.txt|****
对于此,设置两个标记LeftMycatPipeFlag、LeftMysortPipeFlag用来记录myhead命令前面是否出现了管道,同时设置标记islastcmd来记录myhead是否为最后一条子命令。
这样就可以通过这三个标志来分情况处理。
具体设计实现见代码:
对于命令“mysortfile1.txt|myhead6|mycat–n”来说:
LeftMycatPipeFlag=find_left_mycat_pipe();
LeftMysortPipeFlag=find_left_mysort_pipe();
intexistence=LeftMycatPipeFlag||LeftMysortPipeFlag;//Judgetheexistenceofleftpipe
if(existence==1&&islastcmd==0){//eg:
mycat-nfile1.txt|myhead3|mysort
//getdatafrompipe
if(LeftMycatPipeFlag==1)
get_left_mycat_pipe();
elseif(LeftMysortPipeFlag==1)
get_left_mysort_pipe();
//createpipe,placedata
create_myhead_pipe();
}
elseif(existence==0&&islastcmd==1){//eg:
myhead3file1.txt
//processdata,thenprint
process_file_print();
}
elseif(existence==1&&islastcmd==1){//eg:
mycat-nfile1.txt|myhead3
//getdatafrompipe,thenprint
if(LeftMycatPipeFlag==1)
get_left_mycat_pipe();
elseif(LeftMysortPipeFlag==1)
get_left_mysort_pipe();
}
elseif(existence==0&&islastcmd==0){//eg:
myhead3file1.txt|mycat-n
//processdata,putintobuffer
process_file_into_buffer();
//createpipe,placedata
create_myhead_pipe();
}
管道通信原理图如下所示:
(5)shell各部分说明
----------------------shell主控程序400行-------------------------
对输入的命令进行处理,为各个命令创建进程,运行结束时终止进程
----------------------myls展开指定目录200行----------------------
使用格式:
myls[dir]
参数说明:
若dir不为“.”,则展开dir,否则展开当前目录,显示文件创建时间、最后修改时间、大小等基本属性
------------------mycat文本文件查看和连接400行-------------------
使用格式:
mycat[-n][file1file2……]
参数说明:
由1开始对所有输出的行数编号:
-n
--------------------myhead显示文档的开头300行--------------------
使用格式:
myheadnumberfilename
参数说明:
number为要显示的行数
------------------------mysort排序300行--------------------------
使用格式:
mysort[file1file2……]
参数说明:
命令用于将所有文件容按第一列来排序(若第一列相同,则看第二列……)
-----------------------mycp复制文件150行------------------------
使用格式:
mycpsour_dirdes_dir
参数说明:
sour_dir为源目录,des_dir为新创建的目录。
---------------mytime统计可执行文件执行时间100行-----------------
使用格式:
mytimeprogram1.exe
参数说明:
参数为一个可执行文件
------------------------mysl错误提示400行-----------------------
使用格式:
mysl
说明:
在Linux系统中,ls命令是很常用的,经常会误写成sl,这时shell会显示一辆跑动的小火车,以此提示程序员。
命令举例:
(1)mycat-nfile1|myhead3将文件file1的容加上行号后显示前3行
(2)myhead3file1|mycat-n将文件file1的容显示前3行后加上行号
(注:
上述两条命令的操作最终结果等价)
(3)mysortfile1file2|mycat-n|myhead5将file1和file2的容合并排序、加上行号、显示前5行
(4)mycat-nfile1.txt把file1.txt的容加行标后输出
(5)myhead2file2.txt输出file2.txt的前2行
(6)mysortfile1.txt把file1.txt的容排序后输出
(7)mytimeprogram1.exe显示program1.exe的执行时间
(8)mycpab将文件夹a的容复制到文件夹b
(9)myls.展开当前目录
(10)mylsa展开指定目录a
(11)mysl显示跑动的小火车
五、实验收获与体会
实验代码量达到了2300行,实现了简单shell,基本达到了要求。
不过由于时间关系实验中还有很多缺陷和不足有待改进。
谈兆年的心得体会:
本次试验中,我负责shell整体框架的设计以及myhead、mysort、mycat三条管道命令的实现。
在实验中,学习了很多关于UNIX和Windows的管道设计机制相关知识。
实验中最大的挑战莫过于对于管道命令的各个字符串的处理,为此我特地设计了CMD结构体来分割管道命令,还有实验中需要处理诸多函数,函数相互调用的时候,接口设计十分重要。
光是某些单个命令的设计实现就需要400行的代码量,可想而知,若是接口设计的不好,势必会给后续工作带来影响。
尤其是对于命令所带的参数的处理尤其麻烦,还有为每个命令创建进程的时候,szCmdline所带的参数也是需要小心处理。
本次实验无疑极提升了我的项目动手能力,一个星期持续不断的编程还是非常刺激的,这其中遇到的问题胜不胜数,比如说,服务器端创建pipe时,buffer缓冲区不能为空:
若为空,则在创建pipe时调用的WriteFile()没有在pipe中写入任何数据,然后客户端和pipe建立连接后,企图调用ReadFile()获取pipe中的数据时,发现里面什么都没有,则ReadFile()调用失败。
徐欣廷的心得体会:
在这次大作业中,我负责完成myls命令,由于代码的实现过程比较简单,在Windows下就是对目录的读取过程,需要自己添加的容就是对容的转义。
比方说文件日期,从FILETIME转换成可读的本地时间、文件长度的高32位和低32位的拼接等操作。
因为涉及到的进程数量比较多,所以在子进程的代码中,需要注意的就是对存的控制,每次new操作的存空间在不需要的时候要及时释放,否则会导致存泄漏,产生严重的后果;其次,对于打开的文件句柄,需要及时关闭,否则经过多次调用之后可能会导致系统调用出现异常。
经过本次实验,我掌握了很多操作系统方面的知识,在之后的实际应用中会带来极大的帮助。
知水的心得体会:
在这最后一次课程设计中,在我们小组共同努力下完成了一个shell命令解释器的基本功能。
我们在这次综合了几乎所有实验课知识的实验中收益颇丰,不仅巩固了之前几次实验的知识,而且学到了不少新的知识,比如对于管道通信的理解等等。
对于整个实践课程,不仅培养了我们独立思考、动手操作以及合作编程的能力,在各种其它能力上也都有了提高。
更重要的是,在实验课上,我们学会了很多学习的方法。
课程设计使我懂得了理论与实际相结合是很重要的,只有理论知识是远远不够的,只有把所学的理论知识与实践相结合起来,才能真正的掌握知识。
杜田野的心得体会:
首先感小组成员的大力帮助,才能这样顺利的完成任务。
在其中,我自己也是锻炼了自我的学习能力,当然还学会了及时与同学交流,向老师请教。
我认识到了,学习其实是一个循序渐进的过程,但同时也是一个突飞猛进的过程,有的时候会卡在哪一个结点,等待一段时间搞定就会有很大收获。
刚开始时候看了课本,但是因为这一次的实验算是自己构思,必须提前构思好,要不然编起来会思路不清。
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