【Linux】1w详解如何实现一个简单的shell

实现思路

1. 交互获取命令行

显示提示符和获取用户输入

Shell本质是一个死循环，不断地显示提示符和获取用户输入。

memset 函数

memset 函数用于将一段内存区域设置为指定的值。它的原型是：

void *memset(void *s, int c, size_t n);

参数说明：

s：指向要填充的内存区域的指针。
c：要设置的值（以无符号字符形式传递，但实际存储在内存中的每个字节的值是该无符号字符的值）。
n：要设置的字节数。

示例用法：

char command_line[NUM];
memset(command_line, '\0', sizeof(command_line) * sizeof(char));

这里的代码表示将 command_line 数组的每个字节都设置为 \0（空字符），确保初始化整个数组。

fgets 函数

fgets 函数用于从指定的输入流读取字符串。它的原型是：

char *fgets(char *s, int n, FILE *stream);

参数说明：

s：指向存储读取数据的字符数组的指针。
n：要读取的最大字符数（包括终止字符 \0）。
stream：输入流，通常是 stdin 用于标准输入。

示例用法：

fgets(command_line, NUM, stdin);

这行代码表示从标准输入读取最多 NUM-1 个字符（预留一个字符用于终止字符 \0）到 command_line 数组中。

综合示例

结合起来，代码片段如下所示：

char command_line[NUM];
memset(command_line, '\0', sizeof(command_line) * sizeof(char));
fgets(command_line, NUM, stdin);

这段代码的作用是：

使用 memset 函数将 command_line 数组的所有字节都设置为 \0，即初始化数组。

使用 fgets 函数从标准输入读取最多 NUM-1 个字符并存储在 command_line 数组中。

这样处理后，command_line 数组会包含从输入读取的字符串，并且如果字符串的长度小于 NUM，数组中剩余的字节会保持为 \0。

以下是实现这两个步骤的代码：

#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>#define NUM 1024char command_line[NUM]; // 用来接收命令行内容int main(void) {while (1) {/* Step1：显示提示符 */printf("[用户@主机 当前目录] # ");fflush(stdout);/* Step2：获取用户输入 */memset(command_line, '\0', sizeof(command_line));fgets(command_line, NUM, stdin);  // 从键盘获取输入command_line[strlen(command_line) - 1] = '\0'; // 消除 '\n'printf("%s\n", command_line);}
}

通过上述代码，我们可以实现提示用户输入，并获取用户输入。

注意点：

执行发现有空行怎么办

我们利用 fgets 函数从键盘上获取，标准输入 stdin，获取到 C 风格的字符串，

注意默认会添加 \0 ，我们先把获取到的结果 command_line 打印出来看看：

因为 command_line 里有一个 \n，我们把它替换成 \0 即可：

command_line[strlen(command_line) - 1] = '\0'; // 消除 '\0'

2. 子串分割解析命令行

获取用户输入后，我们需要将接收到的字符串拆分为命令及其参数。

将接收到的字符串拆开

通过 strtok 函数，我们可以将一个字符串按照特定的分隔符打散，依次返回子串：

#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>#define NUM 1024
#define SEP " "
#define SIZE 128char command_line[NUM];
char* command_args[SIZE];int main(void) {while (1) {/* 显示提示符和获取用户输入 */printf("[用户@主机 当前目录] # ");fflush(stdout);memset(command_line, '\0', sizeof(command_line));fgets(command_line, NUM, stdin);command_line[strlen(command_line) - 1] = '\0';/* 将接收到的字符串拆开 */command_args[0] = strtok(command_line, SEP);int idx = 1;while ((command_args[idx++] = strtok(NULL, SEP)));/* 打印拆分结果 */for (int i = 0; i < idx - 1; i++) {printf("%d : %s\n", i, command_args[i]);}}
}

通过这段代码，我们可以将输入的命令行字符串拆分成多个子字符串，并打印出来。

strtok 函数的原型为：

char *strtok(char *str, const char *delim);

参数说明：

str：要进行分割的字符串，第一次调用时传入要分割的字符串，后续调用时传入 NULL 即可。
delim：分隔符，用于指定分割字符串的字符。

示例用法

在代码中，使用了 strtok 函数将 command_line 字符串按照 SEP 分隔符进行切割，并将每个子字符串存储在 command_args 数组中。

command_args[0] = strtok(command_line, SEP);
int idx = 1;

这里的代码首先将 command_line 字符串按照 SEP 分隔符切割成子字符串，并将第一个子字符串的指针存储在 command_args[0] 中。然后，

利用循环逐个获取剩余的子字符串，并将它们存储在 command_args 数组中（使用 idx 来索引）。

3. 指令的判断内建命令

为了实现一些特定功能，如路径切换，我们需要在Shell中实现内建命令。

内建命令：实现路径切换

#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>#define NUM 1024
#define SEP " "
#define SIZE 128char command_line[NUM];
char* command_args[SIZE];/* Shell 内置函数: 路径跳转 */
int ChangeDir(const char* new_path) {return chdir(new_path);
}int main(void) {while (1) {/* 显示提示符和获取用户输入 */printf("[用户@主机 当前目录] # ");fflush(stdout);memset(command_line, '\0', sizeof(command_line));fgets(command_line, NUM, stdin);command_line[strlen(command_line) - 1] = '\0';/* 将接收到的字符串拆开 */command_args[0] = strtok(command_line, SEP);int idx = 1;while ((command_args[idx++] = strtok(NULL, SEP)));/* 判断并执行内建命令 */if (strcmp(command_args[0], "cd") == 0 && command_args[1] != NULL) {ChangeDir(command_args[1]);continue;}/* 执行普通命令 */}
}

这段代码通过判断输入的命令是否为 cd 来执行路径切换，而无需创建子进程。

getcwd用于获取当前工作目录（当前目录）的路径。该函数的声明如下：

char *getcwd(char *buf, size_t size);

函数参数说明：

buf：指向存储当前工作目录路径的缓冲区
size：缓冲区的大小

函数返回值：如果函数调用成功，则返回指向存储当前工作目录路径的缓冲区的指针；如果函数调用失败，则返回NULL。

通过调用getcwd函数，可以获取当前程序所在的工作目录路径。

chdir用于改变当前工作目录（当前目录）的路径。该函数的声明如下：

int chdir(const char *path);

函数参数说明：

函数返回值：如果函数调用成功，则返回0；如果函数调用失败，则返回-1，并设置errno来指示错误的类型。

4. 普通命令的执行

最后，我们实现普通命令的执行，包括创建子进程并执行用户输入的命令。

创建进程 & 程序替换

#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/wait.h>
#include <sys/types.h>#define NUM 1024
#define SEP " "
#define SIZE 128char command_line[NUM];
char* command_args[SIZE];int main(void)
{while (1) {/* Step1：显示提示符 */printf("[lvy@我的主机名 当前目录] # ");fflush(stdout);/* Step2：获取用户输入 */memset (command_line, '\0', sizeof(command_line) * sizeof(char));fgets(command_line, NUM, stdin);  /* 从键盘获取，标准输入，stdin 获取到 C 风格的字符串，默认添加 '\0' */command_line[strlen(command_line) - 1] = '\0';  // 消除 '\0'/* Step3: 将接收到的字符串拆开 - 字符串切分 */command_args[0] = strtok(command_line, SEP);int idx = 1;/* 这里的 = 是故意这么写的，因为 strtok 截取成功返回字符串起始地址截取失败，返回 NULL */while (command_args[idx++] = strtok(NULL, SEP));//我们来测试一下看看 // for (int i = 0; i < idx; i++) {//     printf("%d : %s\n", i, command_args[i]);// }// printf("%s\n", command_line);/* Step4. TODO *//* Step5. 创建进程，执行 */pid_t id = fork();if (id == 0) {/* child *//* Step6: 程序替换 */execvp (command_args[0],  // 保存的是我们要执行的程序名字command_args);exit(1);   // 只要执行到这里，子进程一定是替换失败了，直接退出。}/* Father */int status = 0;pid_t ret = waitpid(id, &status, 0);if (ret > 0) {   // 等待成功printf("等待成功！sig: %d, code: %d\n", status&0x7F, (status>>8)&0xFF);}} // end while}

通过上述代码，我们可以创建一个进程来执行用户输入的命令，并等待子进程结束。

给命令带颜色

为了增强Shell的用户体验，可以给一些常用命令添加颜色，例如 ls 命令：

/* 将接收到的字符串拆开 */
command_args[0] = strtok(command_line, SEP);
int idx = 1;
while ((command_args[idx++] = strtok(NULL, SEP)));/* 给 ls 命令添加颜色 */
if (strcmp(command_args[0], "ls") == 0) {command_args[idx++] = (char*)"--color=auto";
}

以上实现了一个简单的Shell，具备了基本的提示符显示、用户输入获取、命令解析、内建命令和普通命令的执行功能。

内建命令环境变量

/* Shell 内置函数: 路径跳转 */
int ChangeDir(const char* new_path) {chdir(new_path);return 0;  // 调用成功
}int main(void) 
{.../* Step4. TODO 编写后面的逻辑，内建命令 */if (strcmp(command_args[0], "cd") == 0 && command_args[1] != NULL) {ChangeDir(command_args[1]);  // 让调用方进行路径切换continue;}...
}

保存环境变量的字符串，不能是易变的，所以 strcpy mycommand，实现与argv的分离

补充：vim 文本替换

如何快速将mycmd换为myshell呢

通过如下操作

: %s/mycmd/myshell/g

就可以啦

细节设置的思考，在最后一部分，让我们先来看一下整体

整体代码

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <assert.h>
#include <unistd.h>//创建子进程
#include <stdlib.h>//这些文件都是什么意思
#include <sys/types.h>
#include <sys/wait.h>#define LEFT "["
#define RIGHT "]"
#define LABLE "#"
#define DELIM " \t"
#define LINE_SIZE 1024
#define ARGC_SIZE 32
#define EXIT_CODE 44int lastcode = 0;
int quit = 0;
extern char **environ;
char commandline[LINE_SIZE];
char *argv[ARGC_SIZE];//存储切割之后的命令行
char pwd[LINE_SIZE];// 自定义环境变量表
char myenv[LINE_SIZE];
// 自定义本地变量表const char *getusername()
{return getenv("USER");
}const char *gethostname()
{return getenv("HOSTNAME");
}void getpwd()
{getcwd(pwd, sizeof(pwd));//获取当前工作目录
}void interact(char *cline, int size)//交互
{getpwd();printf(LEFT"%s@%s %s"RIGHT""LABLE" ", getusername(), gethostname(), pwd);char *s = fgets(cline, size, stdin);输入流进行输入assert(s);//断言不为空(void)s;//调用s避免报错// "abcd\n\0"cline[strlen(cline)-1] = '\0';//取消自动换行
}// ls -a -l | wc -l | head 
int splitstring(char cline[], char *_argv[])
{int i = 0;argv[i++] = strtok(cline, DELIM);//区分全局变量和形参_while(_argv[i++] = strtok(NULL, DELIM)); // 故意写的=//NULL的设置才能实现往后移的切割return i - 1;//去除NULL
}void NormalExcute(char *_argv[])
{pid_t id = fork();if(id < 0){perror("fork");return;}else if(id == 0){//让子进程执行命令//execvpe(_argv[0], _argv, environ);execvp(_argv[0], _argv);//系统调用exit(EXIT_CODE);}else{int status = 0;pid_t rid = waitpid(id, &status, 0);if(rid == id) {//返回正确执行lastcode = WEXITSTATUS(status);}}
}
//切换路径，内建命令
//shell执行的内建命令，一个一个判断
int buildCommand(char *_argv[], int _argc)
{if(_argc == 2 && strcmp(_argv[0], "cd") == 0){chdir(argv[1]);//切换路径的函数getpwd();//获取当前路径sprintf(getenv("PWD"), "%s", pwd);return 1;}//导入环境变量exportelse if(_argc == 2 && strcmp(_argv[0], "export") == 0){strcpy(myenv, _argv[1]);//为什么要进行一个拷贝 是什么意思呢！！！！putenv(myenv);//argv 是我们定义的，每次都是变化的//所以不要写我们的地址，要提字符串的地址return 1;}else if(_argc == 2 && strcmp(_argv[0], "echo") == 0){if(strcmp(_argv[1], "$?") == 0){printf("%d\n", lastcode);//查看退出码lastcode=0;}else if(*_argv[1] == '$'){//打印环境变量char *val = getenv(_argv[1]+1);//获取if(val) printf("%s\n", val);}else{printf("%s\n", _argv[1]);}return 1;}// 特殊处理一下lsif(strcmp(_argv[0], "ls") == 0){_argv[_argc++] = "--color";_argv[_argc] = NULL;}return 0; //带有颜色之后返回，再执行普通命令
}int main()
{while(!quit){//1.许多软件启动起来就是死循环// 2. 交互问题,获取命令行, ls -a -l > myfile / ls -a -l >> myfile / cat < file.txtinteract(commandline, sizeof(commandline));//对函数做了一下封装// commandline -> "ls -a -l -n\0" -> "ls" "-a" "-l" "-n"// 3. 子串分割的问题，解析命令行int argc = splitstring(commandline, argv);//如何将字串打散呢//strtok需要循环调用//while(argv[i++]=strtok(commandline,DELIM);//故意写的等号if(argc == 0) continue;// 4. 指令的判断 // debug//for(int i = 0; argv[i]; i++) printf("[%d]: %s\n", i, argv[i]);//内键命令，本质就是一个shell内部的一个函数int n = buildCommand(argv, argc);// ls -a -l | wc -l// 4.0 分析输入的命令行字符串，获取有多少个|, 命令打散多个子命令字符串// 4.1 malloc申请空间，pipe先申请多个管道// 4.2 循环创建多个子进程，每一个子进程的重定向情况。最开始. 输出重定向, 1->指定的一个管道的写端 // 中间：输入输出重定向， 0标准输入重定向到上一个管道的读端 1标准输出重定向到下一个管道的写端// 最后一个：输入重定向，将标准输入重定向到最后一个管道的读端// 4.3 分别让不同的子进程执行不同的命令--- exec* --- exec*不会影响该进程曾经打开的文件，不会影响预先设置好的管道重定向// 5. 普通命令的执行if(!n) NormalExcute(argv);//让命令0的时候执行}return 0;
}

重点思考

1.getenv和putenv是什么意思

getenv函数用于获取指定环境变量的值。它的函数定义如下：

char *getenv(const char *name);

参数：

- name：要获取的环境变量的名称。

返回值：

- 如果指定的环境变量存在，那么返回一个指向该环境变量值的指针。
- 如果指定的环境变量不存在，则返回NULL。

以下是一个使用getenv函数的示例：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>int main() {char *path = getenv("PATH");if (path != NULL) {printf("PATH environment variable: %s\n", path);} else {printf("PATH environment variable not found.\n");}return 0;
}

成功实现对环境变量的调用啦

putenv函数

putenv函数用于设置环境变量。它的函数定义如下：

int putenv(char *string);

参数：

- string：形式为"name=value"的字符串，用于设置具体的环境变量及其值。

返回值：

- 成功时返回0。
- 失败时返回非零值。

以下是一个使用putenv函数的示例：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>int main() {char env_str[] = "MY_ENV=hello_world";if (putenv(env_str) == 0) {printf("Environment variable set successfully.\n");} else {perror("putenv");return 1;}char *my_env = getenv("MY_ENV");if (my_env != NULL) {printf("MY_ENV: %s\n", my_env);} else {printf("MY_ENV environment variable not found.\n");}return 0;
}

注意事项

内存管理：

- getenv返回的指针指向的是环境变量的值，不能直接修改此值，否则可能导致未定义行为。
- putenv函数参数所指向的字符串在函数调用后仍需存在，因为putenv不会复制这个字符串。因此传递给putenv的字符串应始终位于可修改的全局或堆内存中，而不是局部变量中。

线程安全性：

- getenv和putenv函数在某些实现中不是线程安全的，特别是当修改同一个环境变量时。建议在多线程环境中使用setenv和unsetenv函数，它们是现代C库中提供的线程安全的替代函数。

总结

getenv和putenv是C语言中用于获取和设置环境变量的基本函数。通过了解并正确使用它们，可以更好地管理进程环境。

2.代码extern char **environ;

extern char **environ; 是C语言中的全局变量声明，用于访问当前进程的环境变量。为了理解这一行代码，我们需要理清以下几个关键概念：

环境变量的存储

在Unix和类Unix操作系统（如Linux）中，环境变量是一组键值对（例如PATH=/usr/bin），用于向进程传递配置信息。每个环境变量项以字符串的形式存储在一个全局变量数组中。这个数组在进程启动时由操作系统初始化，并且每个程序都可以访问和修改它。

环境变量在内存中的表示

在内存中，环境变量通常表示为一个字符串数组，每个字符串保存一个环境变量。例如：

PATH=/usr/bin
HOME=/home/user
USER=user
...

这些字符串指针存储在一个全局变量数组中，即char **environ。

extern关键字

extern关键字用于声明一个全局变量，但不定义它。它告诉编译器这个变量是在别处（比如另一个源文件或由操作系统提供）定义的。因此，extern char **environ; 仅仅是一个声明，用来告知编译器这个变量在别处已经定义过，可以在当前文件中使用它。

为什么这样写？

在标准C库中，environ变量实际上在系统库中已经定义，我们只需要在我们的程序中声明一下即可使用。这种方式使我们能够访问和操作环境变量。

这里是extern char **environ;的具体含义：

声明：它声明了一个外部变量environ，是一个指向字符指针的指针。
外部定义：实际的环境变量数组由操作系统初始化，并定义在某个系统库中。
全局访问：通过这个声明，我们可以在任何源文件中访问和操作环境变量。

示例

下面是一个具体的例子，展示了如何使用environ来访问并打印所有环境变量：

#include <stdio.h>// 声明外部环境变量数组
extern char **environ;int main(void) {// 指向环境变量数组的指针char **env = environ;// 遍历并打印所有环境变量while (*env) {printf("%s\n", *env);env++;}return 0;
}

就可以成功调用所有环境变量啦

总结

extern char **environ; 这一行代码的作用是声明一个指针数组，用于访问当前进程的环境变量。通过这种方式，我们可以在C程序中方便地读取和操作环境变量。

3.内建命令是什么

内建命令是指直接内置在操作系统内核中的一些命令，与普通的外部命令（外部程序文件）不同。这些内建命令是直接由shell解释器（如Bash、Zsh等）所处理，而不需要通过外部文件的方式来执行。这些内建命令通常在操作系统的shell环境中被频繁使用，并且执行速度更快，因为它们不需要创建新的进程来执行。

在Unix和类Unix操作系统中，通常会有一些内建命令，比如cd、echo、exit等。这些命令不需要单独的可执行文件，而是直接由shell内核提供支持。当用户在shell中输入这些命令时，shell会直接处理它们，而不需要通过搜索系统路径来找到可执行文件。

值得一提的是，某些shell也允许用户通过自定义的方式添加新的内建命令，这样用户可以根据自己的需求来扩展shell的内建功能。

4.lastcode = WEXITSTATUS(status);

在C语言中，WEXITSTATUS(status) 是一个宏，用于从wait或waitpid返回的状态信息中提取子进程的退出状态。这个宏主要用于处理子进程的退出状态信息。

具体来说，WEXITSTATUS(status) 用于提取子进程在终止时传递给exit或_exit函数的退出状态。这个宏将状态信息进行适当的位操作，以获取子进程的退出状态值。

一般情况下，status 是由wait或waitpid函数返回的子进程状态，其中包含了有关子进程终止的信息，包括退出状态。通过使用WEXITSTATUS(status)，可以将状态转换为子进程的退出状态，以便于后续处理和判断子进程的终止情况。

具体的用法示例如下：

#include <sys/types.h>
#include <sys/wait.h>
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>int main() {pid_t pid;int status;int lastcode;pid = fork();if (pid < 0) {perror("fork failed");exit(1);} else if (pid == 0) {// This is the child processchar *args[] = {"ls", "-l", NULL};execvp(args[0], args);} else {// This is the parent processwaitpid(pid, &status, 0);//获得了子进程的退出码lastcode = WEXITSTATUS(status);printf("子进程的退出状态是：%d\n", lastcode);}return 0;
}

在这个例子中，WEXITSTATUS(status) 会从 status 中提取子进程的退出状态，并将其赋值给 lastcode。然后这个退出状态可以被用来进行一些处理，比如根据不同的退出状态进行不同的操作。

需要注意的是，使用 WEXITSTATUS(status) 的前提是要确保传入的 status 参数是一个子进程终止的状态，因为该宏只能提取终止进程的退出状态信息。

5.execvp(_argv[0], _argv);的调用

在代码中，execvp(_argv[0], _argv) 是一个执行函数 execvp 的调用，用于执行磁盘文件上的程序。这个函数会用指定的程序文件（由 _argv[0] 指定）来覆盖当前进程的镜像，并且用 _argv 数组中的参数替换掉原来的程序参数。

相对路径执行指令

路径搜索：根据 PATH 环境变量，execvp 会在指定路径中查找可执行文件。
内存映射：找到可执行文件后，将其映射到当前进程地址空间。
替换镜像：用新程序的数据、堆栈、代码段替换当前进程的相应部分。
执行：新程序从其入口点开始执行，覆盖原进程的代码。

下面是对 execvp 函数调用的解释：

_argv[0] 表示要执行的程序文件的路径或名称。如果是一个程序的名称而没有路径，execvp 会在 $PATH 环境变量指定的路径中搜索这个程序。
_argv 是一个以空指针结尾的字符串数组，用于传递给新程序的命令行参数。数组的第一个元素（_argv[0]）通常是被执行的程序的名称，随后的元素是程序的参数。
当调用 execvp 时，操作系统会加载并执行指定的程序文件，并用 _argv 数组中的参数来替换当前进程的参数。（因为默认会在PATH中查询，就和系统连接上了）
如果 execvp 调用成功，则当前进程的镜像将被新程序替换，并且新程序开始执行。原来的程序代码和数据都会被新程序的代码和数据取代。
如果 execvp 调用失败，它会返回-1，并且当前进程的状态不会改变。

在简单的C代码中，execvp 函数通常与 fork 函数一起使用，例如：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>int main() {char *_argv[] = {"ls", "-l", "-a", NULL}; // 要执行的命令及参数组成的数组execvp(_argv[0], _argv);  // 在新的程序中执行 ls 命令// 如果执行成功，下面的代码不会被执行perror("execvp"); // 如果 execvp 失败，打印出错误信息return 1;
}