操作系统实验四（综合实验）设计简单的Shell程序

前言

因为是一年前的实验，很多细节还有知识点我都已经遗忘了，但我还是尽可能地把各个细节讲清楚，请见谅。

1.实验目的

综合利用进程控制的相关知识，结合对shell功能的和进程间通信手段的认知，编写简易shell程序，加深操作系统的进程控制和shell接口的认识。

2.实验内容

可以使用Linux或其它Unix类操作系统，全面实践进程控制、进程间通信的手段，编写简易shell程序要求如下：

1. 学习Shell，系统编程，实现一个基本的Shell。

2. shell是Linux等系统中的一个命令解释器, 它接受输入的命令, 解释之后与操作系统进行交互. 在Linux终端Terminal输入的指令就是被shell接收的。在shell中实现输入输出。

3. 在自己编写的Shell中实现bash的基本指令包括 cd ,ls 管道等指令

3.实验的内容与过程

实验前需要掌握的知识点：

在实验前，我们应该先明白shell有以下几个功能：

实现一个命令解析的程序

命令包含内部命令、外部命令和非法命令

内部命令包含：使用帮助的help命令，打印内容echo，目录切换cd，退出程序exit或q

外部命令包含：系统命令，在$PATH下的命令

非法命令：找不到的命令

Shell的工作流程主要如下：

①打印提示符：可参照bash提示符，如用户名@主机名，或者自定义提示符，如myshell >

②接收用户输入的命令：按行读取内容

③解析用户输入的命令：解析行内容，按照空格来分隔成字符串数组

④执行命令：执行命令并打印命令结果到终端

⑤循环第一步

初步框架：

根据shell的工作流程，我们不难得出代码的初步框架：

根据上述代码框架，我们先编写出自己的框架。

分析：

getcwd函数用于获取当前工作目录。因为shell的命令输入是一直运行的，所以我们用while（1）来确保其不断运行。接着在while中有三个自定义函数，分别为：print_promt（用来显示命令行提示符：打印用户名和当前工作目录）、read_line（用来读取用户输入的命令）、parse_cmd（用来处理用户输入的命令）。接下来我就解释一下这三个自定义函数的功能。

print_promt函数：

print_promt函数：（打印的用户名一定要记得改）

分析：

这个函数的主要功能为打印命令行提示符，打印的内容主要为用户名和当前的工作目录，分别用蓝色字体和绿色字体输出。

打印结果：

read_line函数：

分析：

这个函数的主要功能为读取用户输入的命令，通过fgets函数将命令写入全局变量command中，如果读入失败的话，则退出程序。

Parse_command函数：

分析：

这个函数主要用来判断用户输入的命令是什么命令。当有输入命令时，用自定义函数check来判断，如果返回值为1则说明当前命令为内部命令，调用handleInternalCommand这个自定义函数来处理内部命令。如果在command里面查找到有字符‘|’则说明是一个带有管道的命令，那么就调用executeCommandWithPipes这个自定义函数来处理命令。如果上述两种情况都不满足，则说明是外部命令，便调用自定义函数executeExternalCommand来处理外部命令。接下来就对这几个自定义函数进行解释。

Check函数：

分析：

这个函数主要用来判断命令是否为内部命令，如果是则返回1，否则返回0。（命令可以自行添加）

HandleInternalCommand函数：

分析：

这个函数主要用来处理内部命令。因为我实现了三种内部命令（help、exit和cd）。如果判断出输入的命令为help，则打印出我们的提示信息。如果判断出输入的命令为exit，则退出程序。如果判断输入的命令为cd，则将路径存放起来，改变当前工作目录并保存。如果这三个命令都不是，则输出无效命令的提示消息。

Executeexternalcommand函数：

分析：

这个函数主要用来执行外部命令。如果我们判断当前输入命令为外部命令时调用该函数。在这个函数中，我们先创建一个子进程，在子进程中，我们分割出命令，然后调用execvp函数去执行外部命令。如果执行时出错，则说明是无效命令，并输出相应的提示，一直等到子进程结束。

executeCommandWithPipes函数：

分析：

这个函数主要是执行带有管道的命令。首先将命令按照管道符号“|”分割成多个子命令（由于分割的技巧，我的管道可以识别字符‘|’有空格和没有空格的情况，下面会展示），接着根据子命令个数创建相应个数的管道。接着在管道数组中创建子进程（跟执行外部命令时的道理类似）。在执行子进程时，我们要判断该子进程是第几个子进程：如果不是第一个子命令，则将管道的输入重定向到上一个子命令的输出；如果不是最后一个子命令，则将管道的输出重定向到下一个子命令的输入。（这两个过程可以通过调用dup2函数实现），接着关闭所有管道文件描述符并且执行子命令，一直等到所有子进程都结束了才算真正的执行完成了。注意，一定要关闭所有的管道文件描述符。

将以上的代码结合在一起就能实现一个简单的shell。至此，本次实验已经成功完成了。

4.完整代码

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/wait.h>#define MAX_COMMAND_LENGTH 100
#define MAX_ARGUMENTS 10
#define MAX_PIPES 10#define RED "\e[0;31m"
#define L_RED "\e[1;31m"
#define GREEN "\e[0;32m"
#define L_GREEN "\e[1;32m"
#define BLUE "\e[0;34m"   //正常设置
#define L_BLUE "\e[1;34m" //蓝色线条粗一些（0为正常，1为粗体）
#define END "\033[0m"void handleInternalCommand(char *command);
void executeExternalCommand(char *command);
void executeCommandWithPipes(char *command);char *inner_commmand[] = {"help", "exit", "cd"}; // 内部命令
char current_directory[MAX_COMMAND_LENGTH];      // 当前工作目录
char command[MAX_COMMAND_LENGTH];    //存放输入命令//判断是否为内部命令
int check(char *command)
{for (int i = 0; i < 3; i++){if (i == 2){if (strncmp(command, "cd ", 3) == 0)return 1;}if (strcmp(command, inner_commmand[i]) == 0)return 1;}return 0;
}// 输出命令行提示符
void print_prompt()
{printf("\e[1;34msztu202100202016\033[0m:\e[1;32m%s\033[0m$ ", current_directory);
}void read_line()
{// 读取用户输入的命令if (fgets(command, sizeof(command), stdin) == NULL){// 读取失败，退出程序exit(0);}// 删除末尾的换行符command[strcspn(command, "\n")] = '\0';
}void parse_cmd()
{if (strlen(command) > 0){if (check(command) == 1){// 内部命令handleInternalCommand(command);}else if (strstr(command, "|") != NULL){// 带有管道的命令executeCommandWithPipes(command);}else{// 外部命令executeExternalCommand(command);}}
}// 内部命令的处理函数
void handleInternalCommand(char *command)
{if (strcmp(command, "help") == 0){printf("这是一个简单的shell程序。\n");printf("支持的命令:\n");printf("  help - 显示帮助信息\n");printf("  exit - 退出myshell\n");printf("  cd [目录] - 改变当前工作目录\n");printf("  author:Horizon\n");}else if (strcmp(command, "exit") == 0){exit(0);}else if (strncmp(command, "cd ", 3) == 0){// 获取目标目录char *targetDir = &command[3];// 改变当前工作目录if (chdir(targetDir) != 0){printf("无法改变目录：%s\n", targetDir);}else{getcwd(current_directory, sizeof(current_directory)); // 更新当前工作目录}}else{printf("无效命令：%s\n", command);}
}// 执行外部命令
void executeExternalCommand(char *command)
{pid_t pid = fork();if (pid < 0){// fork() 出错printf("无法创建子进程。\n");return;}else if (pid == 0){// 子进程char *args[MAX_ARGUMENTS];// 将命令分割成参数int argIndex = 0;char *token = strtok(command, " ");while (token != NULL && argIndex < MAX_ARGUMENTS - 1){args[argIndex] = token;token = strtok(NULL, " ");argIndex++;}args[argIndex] = NULL;// 执行外部命令execvp(args[0], args);// execvp() 只在出错时返回printf("无效命令：%s\n", command);exit(0);}else{// 等待子进程结束int status;waitpid(pid, &status, 0);}
}// 执行带有管道的命令
void executeCommandWithPipes(char *command)
{char *pipes[MAX_PIPES];int pipeCount = 0;// 将命令按照管道符号 "|" 分割成多个子命令char *token = strtok(command, "|");while (token != NULL && pipeCount < MAX_PIPES){pipes[pipeCount] = token;token = strtok(NULL, "|");pipeCount++;}// 创建管道int pipefds[2 * pipeCount];for (int i = 0; i < pipeCount; i++){if (pipe(pipefds + 2 * i) < 0){perror("无法创建管道");exit(1);}}// 执行子命令for (int i = 0; i < pipeCount; i++){pid_t pid = fork();if (pid < 0){// fork() 出错perror("无法创建子进程");exit(1);}else if (pid == 0){// 子进程// 如果不是第一个子命令，则将管道的输入重定向到上一个子命令的输出if (i > 0){if (dup2(pipefds[2 * (i - 1)], STDIN_FILENO) < 0){perror("无法重定向输入");exit(1);}}// 如果不是最后一个子命令，则将管道的输出重定向到下一个子命令的输入if (i < pipeCount - 1){if (dup2(pipefds[2 * i + 1], STDOUT_FILENO) < 0){perror("无法重定向输出");exit(1);}}// 关闭所有管道文件描述符for (int j = 0; j < 2 * pipeCount; j++){close(pipefds[j]);}// 执行子命令executeExternalCommand(pipes[i]);exit(0);}}// 关闭所有管道文件描述符for (int i = 0; i < 2 * pipeCount; i++){close(pipefds[i]);}// 等待所有子进程结束for (int i = 0; i < pipeCount; i++){int status;wait(&status);}
}int main()
{getcwd(current_directory, sizeof(current_directory)); // 获取当前工作目录while (1){// 显示命令行提示符print_prompt();//读取命令read_line();// 处理命令parse_cmd();}return 0;
}

运行的结果大家自行试验就行了，我就不展示了。

至此，我们的实验大功告成！如果大家有什么想法，可以在评论区提出，一起交流。