Linux - 模拟实现 shell 命令行解释器

简介 shell 的重要性

解释为什么学习 shell 的工作原理很重要

模拟实现一个简单的 shell

循环过程

1. 获取命令行

2. 解析命令行

3. 建立一个子进程（fork）

4. 替换子进程（execvp）

5. 父进程等待子进程退出（wait）

6. 处理内建命令

具体代码

简介 shell 的重要性

Shell 是操作系统与用户之间的重要接口，它提供了命令行环境，让用户可以直接与系统交互。通过 Shell，用户可以执行各种命令来管理文件、控制进程和进行网络配置等。对于开发者和系统管理员来说，掌握 Shell 的使用不仅能够提高工作效率，还能实现自动化任务，从而更好地维护和管理系统。

Shell 的重要性还体现在它的可扩展性和灵活性上。通过编写 Shell 脚本，用户可以轻松地将一系列复杂操作自动化，这使得 Shell 成为系统管理和批处理任务的得力工具。此外，Shell 脚本具有跨平台特性，能够在不同的类 Unix 系统上运行，这进一步增加了它的应用广泛性。

解释为什么学习 shell 的工作原理很重要

1. 效率提升

        通过 Shell 脚本编写，用户可以轻松地实现自动化操作，避免手动执行重复性任务。无论是备份文件、批量处理数据，还是自动化部署，Shell 都能通过简洁的脚本快速完成任务，从而显著提高工作效率。

2. 灵活性强

        Shell 提供了丰富的内置命令和脚本功能，允许用户根据实际需求编写复杂的任务。通过条件判断、循环和变量，用户可以根据具体情况动态地控制执行流程，极大地增强了任务处理的灵活性。

3. 跨平台性

        不同的操作系统通常都有自己的 Shell 实现，例如 Unix 和 Linux 的 Bash Shell，macOS 的 Zsh 等。这些 Shell 脚本在不同平台之间有很好的兼容性，使得用户可以在不同的操作系统上复用同一套脚本。

4. 深入了解系统机制

        学习 Shell 工作原理可以帮助用户更好地理解操作系统的内部机制，了解进程、文件系统、网络等系统资源的管理方式。这对于系统调优、故障排查和性能监控等方面的工作有着重要的帮助。

模拟实现一个简单的 shell

循环过程

1. 获取命令行

Interactive 函数负责显示提示符并获取用户的输入。提示符格式为 [username@hostname cwd]$，其中 username 和 hostname 是通过环境变量获取的，cwd 表示当前工作目录。fgets 函数用于读取用户的输入，读取到的字符串中包含换行符，因此使用 strlen(out) - 1 来移除换行符。

int Interactive(char out[], int size) 
{printf("[%s@%s %s]$ ", UserName(), HostName(), CurrentWorkDir()); fgets(out, size, stdin); out[strlen(out) - 1] = 0; return strlen(out); 
}

该函数中，fgets 用于从标准输入中获取用户的输入，并移除末尾的换行符。

2. 解析命令行

Split 函数用于将用户输入的命令字符串分割成多个参数。它使用 strtok 函数按空格分隔命令，并将每个参数存储到 argv 数组中。同时，如果输入的命令是 ls，则会自动为其添加 --color 参数，以便在输出时显示彩色。

void Split(char in[]) 
{ int i = 0; argv[i++] = strtok(in, SEP); while (argv[i++] = strtok(NULL, SEP)); if (strcmp(argv[0], "ls") == 0) { argv[i - 1] = (char*)"--color"; argv[i] = NULL; } 
}

在该实现中，如果输入的命令是 ls，Shell 会自动为其添加 --color 参数，便于显示彩色输出。

3. 建立一个子进程（fork）

在 Execute 函数中，通过 fork() 创建一个子进程。fork() 返回两次，一次在父进程中，一次在子进程中。如果 fork() 失败，返回 -1；如果是在子进程中，返回 0；如果是在父进程中，则返回子进程的进程 ID。

void Execute() 
{ pid_t id = fork(); if (id == 0) { execvp(argv[0], argv); exit(1); } int status = 0; pid_t rid = waitpid(id, &status, 0); if (rid == id) lastcode = WEXITSTATUS(status); 
}

在子进程中，execvp 会替换当前进程的代码，执行指定的命令。如果执行失败，子进程会退出并返回错误码。父进程则会等待子进程完成，并获取其退出状态。

4. 替换子进程（execvp）

在子进程中，使用 execvp 函数执行命令。execvp 函数会将当前进程的代码替换为要执行的命令。如果执行失败，子进程会通过 exit(1) 退出。

5. 父进程等待子进程退出（wait）

父进程使用 waitpid 等待子进程执行完毕，并通过 WEXITSTATUS 获取子进程的退出状态码，存储到 lastcode 变量中，以便后续命令可以获取到上一个命令的退出状态。

6. 处理内建命令

内建命令包括 cd、export 和 echo。这些命令不需要通过创建子进程来执行，而是在当前进程中直接处理。

cd：改变当前工作目录，如果未指定目标目录，则切换到家目录。
export：设置环境变量。
echo：输出字符串或环境变量的值，支持显示上一个命令的退出状态。

总结

通过以上步骤，模拟实现了一个简单的 Shell。这个 Shell 可以处理用户输入、解析命令行、创建子进程执行命令，并支持内建命令。通过这样的实现，您不仅能够理解 Shell 的基本工作原理，还可以深入掌握操作系统与用户之间的交互机制，这对于系统管理和自动化任务的实现都有着极大的帮助。

具体代码

myshell:myshell.cgcc	-o	$@	$^
.PHONY:clean
clean:rm	-f	myshell

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/wait.h>#define SIZE 1024       // 用于存储用户输入命令的缓冲区大小
#define MAX_ARGC 64     // 最大参数数量，存储分割后的命令行参数
#define SEP " "         // 参数分隔符，这里使用空格作为分隔符// 全局变量
char *argv[MAX_ARGC];   // 用于存储分割后的命令行参数
char pwd[SIZE];         // 用于存储当前工作目录路径
char env[SIZE];         // 用于存储环境变量
int lastcode = 0;       // 用于存储上一个命令的退出状态码// 获取主机名
const char* HostName()
{char *hostname = getenv("HOSTNAME"); // 从环境变量中获取主机名if(hostname) return hostname;        // 如果环境变量存在，返回主机名else return "None";                  // 如果不存在，返回 "None"
}// 获取用户名
const char* UserName()
{char *username = getenv("USER");     // 从环境变量中获取用户名if(username) return username;        // 如果环境变量存在，返回用户名else return "None";                  // 如果不存在，返回 "None"
}// 获取当前工作目录
const char *CurrentWorkDir()
{char *cwd = getenv("PWD");           // 从环境变量中获取当前工作目录if(cwd) return cwd;                  // 如果环境变量存在，返回当前工作目录else return "None";                  // 如果不存在，返回 "None"
}// 获取家目录
char *Home()
{return getenv("HOME");               // 返回家目录路径
}// 显示提示符并获取用户输入
int Interactive(char out[], int size)
{// 显示命令提示符，格式为 [username@hostname cwd]$printf("[%s@%s %s]$ ", UserName(), HostName(), CurrentWorkDir());// 从标准输入获取用户输入的命令行fgets(out, size, stdin);// 去掉输入字符串末尾的换行符out[strlen(out)-1] = 0;return strlen(out);  // 返回命令行字符串的长度
}// 分割用户输入的命令行字符串
void Split(char in[])
{int i = 0;// 使用空格分割命令行字符串，并将其存储到 argv 数组中argv[i++] = strtok(in, SEP);  // 获取第一个参数// 循环获取剩余的参数while(argv[i++] = strtok(NULL, SEP));// 如果输入的命令是 ls，则自动添加 --color 参数if(strcmp(argv[0], "ls") == 0){argv[i-1] = (char*)"--color";  // 添加 --color 参数argv[i] = NULL;                // 确保最后一个参数为 NULL}
}// 执行外部命令
void Execute()
{pid_t id = fork();  // 创建子进程if(id == 0){// 在子进程中执行命令execvp(argv[0], argv);exit(1);  // 如果执行失败，退出子进程}int status = 0;pid_t rid = waitpid(id, &status, 0);  // 父进程等待子进程结束if(rid == id) lastcode = WEXITSTATUS(status);  // 获取子进程的退出状态码
}// 处理内建命令
int BuildinCmd()
{int ret = 0;// 检查是否为内建命令if(strcmp("cd", argv[0]) == 0)  // 处理 cd 命令{ret = 1;char *target = argv[1];  // 获取目标目录if(!target) target = Home();  // 如果没有指定目录，跳转到家目录chdir(target);  // 改变当前工作目录char temp[1024];getcwd(temp, 1024);  // 获取当前目录路径snprintf(pwd, SIZE, "PWD=%s", temp);  // 更新 PWD 环境变量putenv(pwd);  // 设置环境变量}else if(strcmp("export", argv[0]) == 0)  // 处理 export 命令{ret = 1;if(argv[1]){strcpy(env, argv[1]);  // 将参数复制到 envputenv(env);  // 设置环境变量}}else if(strcmp("echo", argv[0]) == 0)  // 处理 echo 命令{ret = 1;if(argv[1] == NULL) {printf("\n");  // 如果没有参数，输出空行}else{if(argv[1][0] == '$')  // 检查是否为环境变量{if(argv[1][1] == '?')  // 输出上一个命令的退出状态码{printf("%d\n", lastcode);lastcode = 0;}else{char *e = getenv(argv[1]+1);  // 获取环境变量的值if(e) printf("%s\n", e);  // 输出环境变量的值}}else{printf("%s\n", argv[1]);  // 输出字符串}}}return ret;  // 返回是否执行了内建命令
}// 主函数
int main()
{while(1){char commandline[SIZE];  // 存储用户输入的命令行int n = Interactive(commandline, SIZE);  // 获取用户输入if(n == 0) continue;  // 如果输入为空，继续等待输入Split(commandline);  // 分割命令字符串n = BuildinCmd();  // 检查并执行内建命令if(n) continue;  // 如果是内建命令，继续等待输入Execute();  // 执行非内建命令}return 0;
}