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# 第06讲：进程控制（进阶）
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> 🎯 **本节目标**：深入理解 fork/exec 的工作原理，掌握 Shell 的实现机制
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## 📋 前置知识
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- [[06_进程控制]] — fork、exec、wait 的基本概念
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## 🤔 为什么需要这个？
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你每天都在用 Shell（命令行），但你有没有想过：
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- Shell 是怎么执行你的命令的？
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- 为什么输入 `ls` 就能列出文件？
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- 后台运行 `&` 是怎么实现的？
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理解这些，需要深入掌握 fork 和 exec 的配合机制。
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## 📖 核心概念
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### 1. Shell 的工作原理
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```mermaid
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graph TD
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A[用户输入命令] --> B[Shell 解析命令]
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B --> C[Shell 调用 fork]
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C --> D[子进程调用 execvp]
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D --> E[执行命令程序]
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E --> F[子进程结束]
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F --> G[Shell 调用 waitpid]
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G --> A
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style A fill:#e1f5fe
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style D fill:#e8f5e9
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```
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**Shell 的核心逻辑**：
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```c
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while (1) {
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printf("%% "); // 打印提示符
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fgets(cmdline); // 读取命令
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if (feof(stdin)) exit(0);
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pid = fork(); // 创建子进程
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if (pid == 0) { // 子进程
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execvp(argv[0], argv); // 执行命令
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exit(1); // exec 失败
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}
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if (!background) // 前台运行
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waitpid(pid); // 等待子进程结束
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}
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```
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### 2. fork() 的实现细节
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```mermaid
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graph TD
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A[父进程调用 fork] --> B[内核复制父进程的 PCB]
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B --> C[复制页表（写时复制）]
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C --> D[设置子进程的 PID]
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D --> E[父子进程各返回一次]
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style A fill:#e1f5fe
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style B fill:#fff3e0
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```
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**写时复制（Copy-on-Write）**：
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- fork() 时不立即复制物理内存
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- 父子进程共享同一份物理页面
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- 只有当某一方尝试写入时，才复制该页面
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```mermaid
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sequenceDiagram
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participant 父进程
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participant 子进程
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participant 内存
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父进程->>内存: fork()
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Note over 内存: 父子共享物理页面
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子进程->>内存: 尝试写入
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Note over 内存: 触发写时复制
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Note over 内存: 复制该页面给子进程
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子进程->>内存: 写入新页面
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```
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### 3. exec() 的工作流程
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```mermaid
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graph TD
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A[调用 execvp] --> B[查找可执行文件]
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B --> C[释放旧的地址空间]
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C --> D[加载新的代码段]
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D --> E[加载新的数据段]
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E --> F[设置新的栈]
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F --> G[跳转到新程序入口]
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style A fill:#e1f5fe
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style G fill:#e8f5e9
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```
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**exec 的关键特性**：
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- **不创建新进程**：只是替换当前进程的内容
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- **PID 不变**：进程还是原来的进程
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- **文件描述符保留**：打开的文件不会自动关闭（除非设置了 close-on-exec）
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### 4. 进程组与会话
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```mermaid
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graph TD
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A[会话 Session] --> B[前台进程组]
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A --> C[后台进程组1]
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A --> D[后台进程组2]
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B --> B1[Shell]
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B --> B2[当前命令]
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style A fill:#ffcdd2
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style B fill:#e8f5e9
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style C fill:#e1f5fe
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style D fill:#e1f5fe
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```
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**进程组**：一组相关进程的集合
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- 用于信号的批量发送
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- 用于作业控制（前台/后台切换）
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**会话**：一个用户登录期间的所有进程
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- 一个终端对应一个会话
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- 会话有一个控制终端
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### 5. 守护进程
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守护进程是在后台运行的特殊进程，没有控制终端：
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```mermaid
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graph TD
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A[创建子进程] --> B[父进程退出]
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B --> C[创建新会话]
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C --> D[改变工作目录]
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D --> E[关闭文件描述符]
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E --> F[重定向 stdin/stdout/stderr]
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F --> G[进入主循环]
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style A fill:#e1f5fe
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style G fill:#e8f5e9
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```
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## 💻 动手实践
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### 示例1：实现简单的 Shell
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```c
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// myshell.c - 简单的 Shell 实现
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#include <stdio.h>
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#include <stdlib.h>
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#include <string.h>
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#include <unistd.h>
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int main(void) {
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int ret, i, k, len, pid;
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char cmd[100]; // 命令串，最多100个字符
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char *arg[20]; // 参数数组，最多20个参数
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printf("%% "); // 打印提示符
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fgets(cmd, 100, stdin); // 从标准输入读取一行命令
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// 将命令串中的空格替换成'\0'，并将各参数提取出来
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// 例如 cmd[100]="ls -l -a\0"，替换后变为 cmd="ls\0-l\0-a\0"
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len = strlen(cmd);
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cmd[len - 1] = '\0'; // 去掉 fgets 加在串尾的换行符
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for (i = 0; i < len - 1; i++)
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if (cmd[i] == ' ') cmd[i] = '\0';
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// 准备参数数组 arg
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// arg[0]=cmd, arg[1]=cmd+3, arg[2]=cmd+6, arg[3]=NULL
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arg[0] = cmd;
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k = 1;
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for (i = 1; i < len - 1; i++) {
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if (cmd[i] == '\0') {
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arg[k] = cmd + i + 1;
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k++;
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}
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}
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arg[k] = NULL;
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pid = fork();
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if (pid == 0) {
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ret = execvp(arg[0], arg); // 子进程执行命令
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if (ret == -1) {
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perror("exec error");
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exit(1);
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}
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} else {
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wait(-1); // 父进程等待子进程结束
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}
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}
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```
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**编译运行**：
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```bash
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gcc -o myshell myshell.c
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./myshell
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% ls -l
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```
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### 示例2：后台运行
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```c
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// shellex.c - 支持后台运行的 Shell
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#include "wrapper.h"
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#define MAXARGS 128
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int parseline(char *buf, char **argv) {
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char *delim;
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int argc;
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int bg; // 后台作业标志
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buf[strlen(buf) - 1] = ' '; // 用空格替换末尾换行
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while (*buf && (*buf == ' '))
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buf++;
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argc = 0;
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while ((delim = strchr(buf, ' '))) {
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argv[argc++] = buf;
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*delim = '\0';
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buf = delim + 1;
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while (*buf && (*buf == ' '))
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buf++;
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}
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argv[argc] = NULL;
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if (argc == 0) return 1;
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// 检查是否应该在后台执行
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if ((bg = (*argv[argc - 1] == '&')) != 0)
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argv[--argc] = NULL;
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return bg;
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}
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void execute(char *cmdline) {
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char *argv[MAXARGS];
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char buf[MAXLINE];
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int bg;
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pid_t pid;
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strcpy(buf, cmdline);
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bg = parseline(buf, argv);
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if (argv[0] == NULL) return; // 忽略空行
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if ((pid = fork()) == 0) { // 子进程
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if (execvp(argv[0], argv) < 0) {
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printf("%s: Command not found.\n", argv[0]);
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exit(0);
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}
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}
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if (!bg) { // 前台运行
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int status;
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if (waitpid(pid, &status, 0) < 0)
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perror("waitpid error");
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} else { // 后台运行
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||
printf("%d %s", pid, cmdline);
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||
}
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||
}
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int main() {
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char cmdline[MAXLINE];
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while (1) {
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printf("%% ");
|
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fgets(cmdline, MAXLINE, stdin);
|
||
if (feof(stdin)) exit(0);
|
||
execute(cmdline);
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||
}
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||
}
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```
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**编译运行**：
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```bash
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gcc -o shellex shellex.c -L. -lwrapper
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./shellex
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% sleep 10 & # 后台运行
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% ps # 查看进程
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```
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## 🔗 知识关联
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- Shell 的 I/O 重定向在 [[04_文件IO编程]] 中的 dup2 有详细讲解
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- 守护进程在 [[09_网络编程]] 中会实际使用
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- 进程组在 [[11_处理机调度]] 中用于作业控制
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## 📝 思考题
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1. **为什么 exec() 后文件描述符还保留？** 什么时候需要关闭它们？
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2. **写时复制的优势是什么？** 如果 fork() 时立即复制所有内存会怎样？
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3. **Shell 是怎么实现管道的？** 例如 `ls | grep .c` 的执行过程是什么？
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## 📚 扩展阅读
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- 《UNIX环境高级编程》第8章：进程控制
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||
- 《深入理解计算机系统》第8章：异常控制流
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||
- [Bash 源码](https://git.savannah.gnu.org/cgit/bash.git/)
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