【一个操作系统的设计与实现】第17章 系统交互

操作系统最终是供用户使用的，所以其需要具备与用户交互的能力，交互方式可以是命令行，图形界面，甚至是触摸屏，语音，实体按钮等。本章将要实现的是系统交互。

17.1 外壳程序

我们的操作系统使用的是基于命令行的交互模式。实现此功能的模块被称为外壳（Shell）程序。

事实上，上一章的Test.c已经是一个简单的外壳程序了，它唯一的功能是：读取命令行输入，然后将其打印。因此，如果对命令行输入进行解析，根据其内容调用各种操作系统内核函数，就能得到一个具有实用价值的外壳程序。

我们的外壳程序支持以下四种命令：

1. l命令；调用fsList函数
2. c 文件名 起始扇区号 扇区数命令；调用fsCreate函数
3. d 文件名命令。调用fsDelete函数
4. r 文件名命令。调用fsLoad函数

如果命令行输入不是上述命令中的一种，则打印输入的字符串。

17.2 外壳程序等待

我们的外壳程序支持的四个命令中，前三个都很容易实现，但第四个是有问题的。具体来说，如果直接调用fsLoad函数，新任务就会和外壳程序同时处于任务队列中。这并非一个错误，后台运行模式正是基于此原理实现的。但我们的操作系统并不支持后台运行模式，当外壳程序加载一个任务后，其需要等待这个任务退出后才能继续执行。

想要让一个任务等待，就需要一个专用的队列。这项技术在实现IO队列时已经使用过了。具体来说，想要让外壳程序等待被加载任务的结束，就需要实现以下功能：

1. 创建一个新的任务队列供外壳程序使用。不妨称之为外壳队列
2. 当fsLoad函数调用后，立即发起任务切换。并将发起者，即外壳程序添加到外壳队列中
3. 当任务退出时，从外壳队列中取出外壳程序，并将其重新添加到任务队列

17.3 系统交互的实现

17.3.1 外壳程序等待的实现

请看本章代码17/Task.h。

第21行，声明了外部链接的外壳队列shellQueue。

接下来，请看本章代码17/Task.hpp。

第14行，定义了外壳程序专用的外壳队列shellQueue。

第54行，在taskInit函数中添加对外壳队列的初始化。

第217\~219行，当3特权级任务加载完成后，将当前任务，即外壳程序的TCB中的taskQueue数据成员设定为外壳队列，然后立即发起任务切换。此时，新任务已经位于任务队列中，而外壳程序将在外壳队列上等待。

接下来，请看本章代码17/Int.s。

第12行，声明了外部链接的外壳队列shellQueue。

第194行，将push taskQueue修改为push shellQueue。任务退出时，应从外壳队列中将正在等待的外壳程序取出，并重新添加到任务队列。这行代码与17/Task.hpp中的第217\~219行对应。

第198行，将外壳程序的TCB中的taskQueue数据成员重新恢复为任务队列。

17.3.2 外壳程序的实现

请看本章代码17/Util.h。

第21\~22行，声明了本章新增的两个函数。

接下来，请看本章代码17/Util.hpp。

isalnum，isdigit，nextStr，nextNum是本章新增的四个辅助函数。isalnum和isdigit函数与C语言标准库的同名函数等价；nextStr函数用于取得给定字符串的下一个单词，其相当于C语言标准库的strtok函数的简化版；nextNum函数用于取得给定字符串的下一个整数，其相当于nextStr函数与STL的stoi函数的结合。

接下来，请看本章代码17/Shell.h。

第3行，声明了shellInit函数。

接下来，请看本章代码17/Shell.hpp。

__parseCmd函数用于解析命令行输入。

第12\~15行，解析l命令，并调用fsList函数。

第16\~25行，解析c 文件名 起始扇区号 扇区数命令，并调用fsCreate函数。

第26\~31行，解析d 文件名命令，并调用fsDelete函数。

第32\~37行，解析r 文件名命令，并调用fsLoad函数。

第38\~41行，如果命令行输入不属于上述情况，则打印输入的字符串。

shell函数实现的是外壳程序。

第47行，定义输入的字符串。

第49\~54行，在循环中不断进行以下三个操作：

1. 打印命令提示符
2. 读取命令行输入
3. 调用__parseCmd函数，以解析输入的字符串

shellInit函数用于加载外壳程序。外壳程序调用了文件系统以及Util.hpp中的函数，这些函数都是仅限0特权级使用的，所以外壳程序应加载为一个0特权级任务。读者也可以将外壳程序加载为一个3特权级任务，这就需要将其使用的所有函数都安装成系统调用，或在3特权级下以函数库的形式实现。

接下来，请看本章代码17/Kernel.c。

第21行，调用shellInit函数，完成外壳程序的初始化。

17.4 测试

本章使用的测试任务为17/Test.c。其先读取字符串，再打印读取到的字符串。

启动bochs后，可以发现命令行已经开始工作。

在命令行中输入c test 1000 20命令，再输入l命令，可以发现test文件已经安装完毕。

在命令行中输入r test命令，可以发现test程序已经开始运行，命令行正在等待用户输入，而此时的外壳程序处于等待状态。输入任意字符串后回车，可以发现test程序在打印输入字符串后结束，外壳程序重新开始运行。

在命令行中输入d test命令，再输入l命令，可以发现test文件已被删除。

我们的操作系统到这里就全部实现完成了。