操作系统课程作业实现shell

操作系统课程设计实验报告

实验六简单shell

班级：07111301 学号：1120131743 姓名：谈兆年

学号：1120131767 姓名：徐欣廷

学号：1120131746 姓名：杨知水

学号：1120131766 姓名：杜田野

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、实验内容

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] [file1 file2……]

?显示文档的开头：myhead number filename

?排序：mysort [file1 file2 ……]

?统计可执行文件执行时间：mytimeprogram1.exe

?复制文件：mycp a b

?自定义出错提示命令：mysl

分别对应于Linux系统中的ls cat head sort timecpsl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：mysort file1.txt file2.txt | myhead 6 | 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

struct CMD{

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

1

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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：mysort file1.txt file2.txt | myhead 6 | mycat –n 字符串的位置： 0 1 2 3 4 5 6 7 8

cmdposi[]:

cmdposi[0]=0 cmdposi[1]=4 cmdposi[2]=7

subcmd[0]: mysort file1.txt file2.txt

subcmd[][]

subcmd[1]: myhead 6

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 {

HANDLE hProcess;

//新创建进程的句柄 HANDLE hThread; //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 {

WORD wYear;//年

WORD wMonth;//月

WORD wDayOfWeek;//星期

WORD wDay;//天

WORD wHour;//小时

WORD wMinute;//分钟

WORD wSecond;//秒

WORD wMilliseconds;//毫秒

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} 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

FILETIME ftCreationTime;//文件创建时间

FILETIME ftLastAccessTime;//文件最后一次访问时间

FILETIME ftLastWriteTime;//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 {

DWORD dwLowDateTime;//低32位

DWORD dwHighDateTime;//高32位

} FILETIME, *PFILETIME, *LPFILETIME;

2、使用的主要Windows API

(1)CreateNamedPipe()函数

作用：创建命名管道

调用格式：

HANDLE WINAPI CreateNamedPipe(

LPCTSTR lpName,//管道名称

DWORD dwOpenMode,//管道打开方式

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DWORD dwPipeMode,//管道数据组织方式

DWORD nMaxInstances,//管道最大实例量

DWORD nOutBufferSize,//输出缓冲区长度

DWORD nInBufferSize,//输入缓冲区长度

DWORD nDefaultTimeOut,//默认等待时间

LPSECURITY_ATTRIBUTES lpSecurityAttributes//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：

BOOL WINAPI ConnectNamedPipe(

HANDLE hNamedPipe,//命名管道的句柄

LPOVERLAPPED lpOverlapped//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：

BOOL WINAPI WaitNamedPipe(

LPCTSTR lpNamedPipeName,//将要连接的管道名称

DWORD nTimeOut//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

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调用格式：

BOOL WINAPI DisconnectNamedPipe(_In_ HANDLE hNamedPipe);

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的内容，myhead命令取

前3行输出，mysort命令则是将那3行内容排序后再输出，接着mycat命令最

后加上行标再次输出。

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图二 单管道命令

如上图二所示，首先显示file1.txt 和file2.txt 的内容，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。

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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。

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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&共享内存：

采用消息缓冲和共享内存区是，进程之间可以进行大批数据的交互。

其中，信号量、消息缓冲和共享内存区都属于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、消息队列和共享内存区）

(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。

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(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：

****|myhead 3 | ****

myhead 3 file1.txt

**** | myhead 3

myhead 3 file1.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：

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对于命令“mysort file1.txt | myhead 6 | mycat –n ”来说： 管道通信原理图如下所示：

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(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] [file1 file2 ……]

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：myhead number filename

参数说明：number为要显示的行数

------------------------ mysort 排序 300行 -------------------------- 使用格式：mysort [file1 file2 ……]

参数说明：命令用于将所有文件内容按第一列来排序(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：mytime program1.exe

参数说明：参数为一个可执行文件

------------------------ mysl 错误提示 400行 -----------------------

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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 -n file1 | myhead 3 将文件 file1 的内容加上行号后显示前3行（2）myhead 3 file1 | mycat -n 将文件 file1 的内容显示前3行后加上行号（注：上述两条命令的操作最终结果等价）

（3）mysort file1 file2 | mycat -n | myhead 5 将 file1 和 file2 的内容合并排序、加上行号、显示前5行

（4）mycat -n file1.txt 把file1.txt的内容加行标后输出

（5）myhead 2file2.txt 输出file2.txt的前2行

（6）mysort file1.txt 把file1.txt的内容排序后输出

（7）mytime program1.exe 显示program1.exe的执行时间

（8）mycp a b 将文件夹a的内容复制到文件夹b

（9）myls . 展开当前目录

（10）myls a 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

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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。

本次实验无疑极大地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，需要自己添加的内容就是对内容的转义。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，需要注意的就是对内存的控制，每次new操作的内存空间在不需要的时候要及时释放，否则会导致内存泄漏，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。

杨知水的心得体会：

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：

首先感谢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

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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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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/gtuq.html