[Linux] Linux 模拟实现 Shell

标题：[Linux] Linux 模拟实现 Shell

个人主页@水墨不写bug（图片来源于网络）

一、什么是shell

二、shell的理解

三、模拟实现shell

1）打印命令行提示

2）获取用户的输入字符串

3）分割命令字符串

4）检查是否是内建命令

1. 什么是内建命令

常见的内建命令

5）进程程序替换

正文开始：

一、什么是shell

Shell是用C语言编写的一个独立的可执行程序，它是用户与Linux或其他类Unix系统（如Mac OS）交流的桥梁，既是命令语言又是程序设计语言。

定义：Shell是Linux内核的一个外层保护工具，并负责完成用户与内核之间的交互。

功能：Shell是一个命令行解释器，它将用户输入的命令解析为操作系统所能理解的指令，实现用户与操作系统的交互。同时，Shell也提供了一种脚本编写功能，允许用户将一系列命令按照特定顺序排列，形成脚本文件，由Shell解释器逐行执行，以完成特定任务或实现一系列操作。

Shell提供了丰富的内置命令和外部命令，如cd用于切换目录，ls用于列出目录内容，grep用于搜索文本等。这些命令可以组合使用，形成复杂的脚本，以实现各种功能。

二、shell的理解

站在shell的角度，一个可执行程序，运行起来成为进程，它读取的一段指令其实一串字符串，操作系统无法理解这串字符串的具体意义，无法与用户交流，操作系统也就无法为用户服务。shell是外壳程序，就像一个包在操作系统外面的一层壳子，shell可以把用户输入的一串字符“翻译”

给操作系统，把字符串转化为操作系统可以“听懂的”语言，这样操作系统就能听懂用户的需求，可以进一步为用户服务了。

所以，根据这一理解，我们可以先设计一个框架，表明我们实现的shell的大致思路：

1）打印命令行提示

2）获取用户的输入字符串

3）分割命令字符串，并存储到全局的字符串数组:myg_argv

4）检查是否是内建命令,内建命令需要父进程自己执行

5）进程程序替换

如果不知道什么是进程程序替换，可以浏览这一篇：《[Linux]进程程序替换》

这也就表明了shell的运行机制，：

假如shell读取到“ls”，shell从用户读入字符串"ls"。shell建立一个新的进程，然后在那个进程中运行ls程序并等待那个进程结束。

三、模拟实现shell

由于我们当前实现的shell比较简单，目前没有分离编译最后链接，简单点说就是没有把声明和实现分离为源文件和头文件。而是简单的把一个一个的步骤封装为一个一个的函数。

1）打印命令行提示

我们在与Linux的bash（shell的一种）命令行进行交互的时候，会发现每一次输入命令的前面，都会有一个命令行提示：

这个命令行提示包含的信息有：

用户名+主机名+当前目录

幸运的是，这些信息我们可以直接从环境变量中获取。我们可以通过<stdlib.h>中的getenv()接口获得环境变量，获取了这些环境变量之后就好办了，只需要用printf（标准格式化输出）即可实现打印命令行提示。具体实现如下：


const char *get_username()
{const char *name = getenv("USER");if (name == NULL){return "NONE";}return name;
}const char *get_hostname()
{const char *hostname = getenv("HOSTNAME");if(hostname == NULL){return "NONE";}return hostname;
}const char *get_cwd()
{const char *cwd = getenv("PWD");if (cwd == NULL){return "NONE";}return cwd;
}
void output_sng_line()
{// 直接打印输出到stdoutconst char *cwd = get_cwd();if (strlen(cwd) != 1)//特殊处理根目录“/”的情况{printf("%s@%s:~%s$ ", get_username(), get_hostname(), cwd);}else{printf("%s@%s:%s$ ", get_username(), get_hostname(), cwd);}fflush(stdout); // 刷新缓冲区
}

总结：

通过库函数getenv获得环境变量，printf格式化输出即可；

输出的格式可以对照你的本地的命令行提示符。

上面的实例是按照我的阿里云服务器的命令行提示符来设计的，这是我的命令行提示符：

(包括普通目录和特殊处理的根目录)

注意：获取的环境变量PATH是一串完整的路径，与上图的路径不同，这就需要我们对路径进行截取，由于通过函数进行修改需要传递二级指针，比较麻烦，所以我们可以考虑使用宏替换函数实现：
// 这样写do{}while(0)：形成代码块；while(0)后面可随便带分号
#define Re_back(p)          \do                      \{                       \p += strlen(p) - 1; \while (*p != '/')   \--p;            \} while (0)
修改后的函数具体实现：
void output_sng_line()
{// 直接打印输出到stdoutconst char *cwd = get_cwd();// 这个宏后面可以随便加分号，看起来更像一个函数Re_back(cwd);if (strlen(cwd) != 1){printf("%s@%s:~%s$ ", get_username(), get_hostname(), cwd);}else{printf("%s@%s:%s$ ", get_username(), get_hostname(), cwd);}fflush(stdout); // 刷新缓冲区
}

2）获取用户的输入字符串

我们需要再设计一个缓冲区，用来存储读取的命令行信息——usercommand,SIZE的大小可以自己设计，可以大一些，这样允许一次输入比较长的指令。

返回值表示获取命令是否成功，如果失败返回-1——如果失败，就没有运行的意义了，所以退出即可。

main函数接口调用：

获取用户的输入字符串函数具体实现：

一个小细节，在读取的时候，由于我们最后输入指令的时候，会附带一个换行符，表示输入命令结束，这个换行符也会被读入，于是需要将缓冲区的 '\0'的位置提前一个位置。


int get_user_command(char line[], int n)
{char *s = fgets(line, n, stdin);if (s == NULL){printf("err\n");return -1;}// 处理字符串结尾的\nline[strlen(line) - 1] = ZERO;return 0;// printf("%s\n",line);
}

3）分割命令字符串

main函数接口调用：

分割命令字符串具体实现：（复用库函数strtok()，字符串分割函数）


void partation_command(char *command, int n)
{(void)n; // 暂时禁用n，防止编译老是提醒myg_argv[0] = strtok(command, SKP);int index = 1;// 有意的设计 “=” :先赋值再判断；当srtok无法分割时，返回NULL，正好让g_argc最后一个元素为NULLwhile ((myg_argv[index++] = strtok(NULL, SKP))){}
}

4）检查是否是内建命令

1. 什么是内建命令

在Linux操作系统中，内建命令（builtin commands）是指那些直接由shell（如Bash、Zsh等）自身实现和提供的命令，而不是作为独立的可执行文件存在于文件系统中的命令。内建命令通常比外部命令（external commands）执行得更快，因为它们不需要启动一个新的进程来执行。

常见的内建命令

以下是一些常见的Bash内建命令：

cd：更改当前工作目录。
echo：在标准输出上显示一行文本。
exec：用指定的命令替换当前的shell进程。

等等....

其实，内建命令之所以必须是内建命令，一定有一定的原因：

以cd为例子，执行cd，如果父进程创建一个子进程让他帮自己执行，那么子进程的目录确实是切换了，但是父进程的目录还是没有变化啊！所以cd之所以必须是内建命令，是因为必须让父进程自身执行cd命令。让父进程自身切换工作路径，需要系统调用接口：

chdir（）

main函数接口调用：

返回值表示：

1——是内建命令，父进程需要自己完成命令，则不需要执行第五步操作；

其他——不是内建命令，父进程可以通过创建子进程来让子进程替自己完成命令。

检查进程是否是内建命令其实是很简单朴素的，就是一个一个的条件判断，具体函数实现如下：

（这里也给出了CD内建命令的实现方式）


void _CD()
{char *newpath = myg_argv[1];// 说明只有一个cd，默认切换到家目录if (newpath == NULL){newpath = (char *)get_home();}chdir(newpath);// 这个时候，环境变量没有被改变，使用cd的时候，虽然可以切换路径，但是getpath打印出来的不变// path环境变量需要shell自己维护char tem[SIZE];getcwd(tem, sizeof(tem));snprintf(cwd, sizeof(cwd), "PWD=%s", tem);putenv(cwd);
}int check_inbuildcommand_execute()
// 内建命令需要父进程执行，如果子进程执行cd，则子进程目录切换，父进程没切换
{int yes = 0;// myg_argv[0]一定是命令char *inb_cmd = myg_argv[0];// 检查是否是cd命令，if (strcmp(inb_cmd, "cd") == 0){yes = 1;_CD();}else if (strcmp(inb_cmd, "echo") == 0 && strcmp(myg_argv[1], "$?") == 0){yes = 1;printf("%d\n", lastcode);}return yes;
}

5）进程程序替换

main函数接口调用：

父进程创建一个子进程帮自己干活，父进程只需要坐在一旁等着就行了：


void execute_command()
{pid_t id = fork();if (id == 0) // 子进程给父进程做事{int ret = execvp(myg_argv[0], myg_argv);if (ret == -1){exit(errno);}}else // 父进程{int status = 0;pid_t rid = waitpid(id, &status, 0); // 等待子进程退出if (rid > 0) // 等待子进程成功{if (WIFEXITED(status)){lastcode = WEXITSTATUS(status);}else{printf("lastcode 不重要了,子进程被信号杀掉\n");}}else{printf("waitpid fail");exit(-1); // 父进程shell退出}}
}

最后不要忘了回收子进程的退出信息。