一点号编程派昨天
平常工作中经常用到 shell 吧？好不好奇 shell 的具体执行方式？今天推送的这两篇文章，将利用 Python 实现一些简单的 shell 功能。
本文原作者为 Supasate Choochaisri ，由 PythonTG 翻译组的 Justin 翻译，校对为 EarlGrey。译者简介：Justin，python工程师一枚，对go、docker感兴趣，还在成长ing。
我很好奇 shell（比如 bash、cash等）内部的工作原理，所以我用 Python 实现了yosh（Your Own Shell）来满足自己的好奇心。我在本文中阐释的概念同样适用于其他语言。
yosh_project |-- yosh |-- __init__.py |-- shell.pyyosh_project是项目根文件夹（你也可以用yosh来命名）。
yosh是包文件夹，__init__.py会让包与文件夹同名（如果你不写 python，可以忽略这点）。
shell.py是主要的 shell 文件。启动 shell 时，它会立刻展示命令提示符并等待输入。在接收到命令并执行完毕（细节会在后面讲到）后，shell 会再次回到等待循环，准备接收下一条命令。
shell.pyshell_loop然后在shell_loop函数中，使用status标志来表示循环是否应该继续。在循环开始时，shell 将立即显示命令提示符，并等待输入。importsys SHELL_STATUS_RUN =1SHELL_STATUS_STOP =0defshell_loop: status = SHELL_STATUS_RUN whilestatus == SHELL_STATUS_RUN: # Display a command prompt sys.stdout.write('> ') sys.stdout.flush # Read command input cmd = sys.stdin.readline接下来，对输入的命令进行切分（tokenize），并执行（稍后会实现tokenize和execute函数）。现在，importsys SHELL_STATUS_RUN =1SHELL_STATUS_STOP =0defshell_loop: status = SHELL_STATUS_RUN whilestatus == SHELL_STATUS_RUN: # Display a command prompt sys.stdout.write('> ') sys.stdout.flush # Read command input cmd = sys.stdin.readline # Tokenize the command input cmd_tokens = tokenize(cmd) # Execute the command and retrieve new status status = execute(cmd_tokens)上述就是整个的 shell 循环。如果通过python shell.py启动 shell，会立即显示命令提示符。但是如果我们输入命令并回车，就会抛出错误，因为我们还没有定义tokenize函数。要退出 shell，可以使用ctrl-c，稍后我会介绍如何优雅地终止 shell。用户在 shell 中键入命令并按下回车时，输入的命令是一条长长的字符串，其中包含了命令名以及参数。因此，我们必须将其切分（将字符串拆分成多个 token）。
字符串切分乍一看很简单。我们可能会使用cmd.split根据空格来分割输入的命令。对于形如ls -a my_folder的命令是奏效的，因为cmd.split会将其拆分为一个列表 ―['ls', '-a', 'my_folder’]，这样我们使用起来就比较容易了。但是，某些情况下，某些参数会带有单引号或者双引号，比如echo "Hello World”或者echo 'Hello World’。如果我们使用cmd.split, 将会得到一个包含三个 token 的列表 ―['echo', '"Hello', 'World”’]['echo', 'Hello World’]幸运地是，Python 提供了一个叫做shlex的库，可以很好地帮助我们分词（注：我们也可以使用正则表达式，但这不是本文的重点）。importsys importshlex ... deftokenize(string): returnshlex.split(string) ...然后，我们将这些 token 传给执行进程。
这是 shell 核心，而且也是有趣的部分。shell 执行mkdir test_dir时会发生什么呢？（注：mkdir是一个程序，传递test_dir参数执行后会创建名为test_dir的目录）。这一步中涉及的第一个函数是execvp。在解释execvp的功能之前，让我们先来实际使用一下。importos ... defexecute(cmd_tokens): # Execute command os.execvp(cmd_tokens[0], cmd_tokens) # Return status indicating to wait for next command in shell_loop returnSHELL_STATUS_RUN ...尝试再次运行 shell 并输入命令mkdir test_dir，然后回车。现在的问题是，我们敲击回车后，shell 并未等待下一条命令，而是终止了。但是目录成功被创建。
所以，execvp到底做了什么呢？ execvp是系统调用exec的一个变种。第一个参数是程序名。v表示第二个参数是程序参数列表（可变的参数个数）。p表示PATH环境将用于搜索给定的程序名。在我们之前的尝试中，mkdir程序就是基于PATH环境变量。（exec还有其他变种，比如execv、execvpe、execl、execlp、execlpe等，你可以google一下获取更多信息。）exec会将当前调用进程的内存，替换为一个即将执行的进程。在我们的示例中，shell 进程的内存被mkdir程序替换。然后mkdir变为主进程，并创建test_dir目录，最后进程终止。这里最主要的一点是，shell 进程已经被mkdir进程取代。这也是为什么 shell 会终止而不是等待下一条命令。所以，我们需要另外一个系统调用fork来解决这个问题。fork会分配新的内存，并将现有进程拷贝到新的进程，我们称这个新进程为子进程，调用进程为父进程。之后，执行过exec的程序将会取代子进程。因此，作为父进程的 shell 就不用进行内存替换了。下面是修改后的代码：
...defexecute(cmd_tokens): # Fork a child shell process # If the current process is a child process, its `pid` is set to `0` # else the current process is a parent process and the value of `pid` # is the process id of its child process. pid = os.fork ifpid ==0: # Child process # Replace the child shell process with the program called with exec os.execvp(cmd_tokens[0], cmd_tokens) elifpid >0: # Parent process whileTrue: # Wait response status from its child process (identified with pid) wpid, status = os.waitpid(pid,0) # Finish waiting if its child process exits normally # or is terminated by a signal ifos.WIFEXITED(status)oros.WIFSIGNALED(status): break # Return status indicating to wait for next command in shell_loop returnSHELL_STATUS_RUN ...os.fork运行的代码若属于子进程，pid为 0；若属于父进程，pid为子进程的 id。 os.execvp在子进程中被调用，子进程的所有源码将被调用程序的源码替换掉。但是，父进程的代码没有改变。父进程等待子进程终止后，会返回继续 shell 循环的状态。
现在你可以尝试运行我们自己打造的 shell ，并键入mkdir test_dir2。shell应该会正常运转，而且 shell 进程会继续等待你输入下一条命令。尝试ls命令就会看到已创建的目录。但是，还是存在一些问题。
第一点，输入cd test_dir2，然后再输入ls，应该会进入到test_dir2这个空目录中，但是目录并没有切换到test_dir2。第二点，我们仍不能优雅地退出 shell。
上述问题将会在 Part2 中解决。
Python 翻译组是EarlGrey@编程派发起成立的一个专注于 Python 技术内容翻译的小组，目前已有近 30 名 Python 技术爱好者加入。
翻译组出品的内容（包括教程、文档、书籍、视频）将在编程派微信公众号首发，欢迎各位 Python 爱好者推荐相关线索。
推荐线索，可直接在编程派微信公众号推文下留言即可。
欢迎转发至朋友圈。如无特殊注明，本公号所发文章均为原创或编译，如需转载，请联系「编程派」获得授权。
扫码关注编程派