【Linux】模拟实现shell命令行解释器

news2024/11/27 10:39:34

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文章目录

1. 主要思路
2. 流程图
3. 实现过程
- 3.1 初步实现
- 3.2 当前路径
- 3.3 内建命令/外部命令
- 3.4 Shell 的最终实现

1. 主要思路

一个Shell是一直在运行着的，为了保证Shell本身的运行稳定，所以每次在接收到指令的时候，会派生子进程，把子进程替换成要执行的指令，执行完毕之后子进程被回收，然后再次回到等待指令的时候。

主要步骤：

输出命令提示符
从终端获取命令行输入
解析命令行输入信息；
创建子进程；
进程程序替换；
进程等待；

2. 流程图

通过上述的分析，我们可以画出以下的流程图：

3. 实现过程

3.1 初步实现

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/wait.h>
#include <assert.h>
#include <errno.h>

#define NUM 1024//输入缓冲区大小
#define OPT_NUM 64//命令参数最大个数
char lineCommand[NUM];//输入缓冲区
char* argv[OPT_NUM];
int main()
{
    while(1)//死循环，因为Shell要一只运行着
    {
        //打印输出命令提示符
        printf("[用户名@主机名 当前路径]$ ");
        fflush(stdout);//由于打印命令提示符的时候没有换行，所以这里手动刷新缓冲区
        //获取输入
        char* str = fgets(lineCommand, sizeof(lineCommand) - 1, stdin);//最后一个位置用于在极端情况下保证字符串内有'\0'
        assert(str);//判断合法性
        (void)str;
        lineCommand[strlen(lineCommand) - 1] = '\0';//消除行命令中的换行

        //命令解析（字符串切割）
        argv[0] = strtok(lineCommand, " ");
        int i = 1;
        while(argv[i++] = strtok(NULL, " "));//使用字符串切割函数依次拿到每个参数

        //创建子进程
        pid_t id = fork();
        if(id == -1)
        {
            perror("fork");
            exit(errno);
        }
        else if(id == 0)
        {
            //child
            //进程程序替换
            execvp(argv[0], argv);
            //执行到此处的时候，证明进程替换错误
            perror("exec:");
            exit(errno);
        }
        else
        {
            //parent
            //进程等待
            int status = 0;//退出状态
            pid_t ret = waitpid(id, &status, 0);//阻塞等待
            if(ret == -1)
            {
                perror("wait fail");
                exit(errno);
            }
        }
    }
    return 0;
}

可以看到，这里我们自己的Shell已经能够执行Linux的基本指令啦，但是我们的ls好像是没有颜色的，那么这里我们在Shell里面加上特判

if(argv[0] != NULL && strcmp(argv[0], "ls") == 0)  //ls颜色显示
{
    argv[i++] = (char*)"--color=auto";
}

3.2 当前路径

我们知道，在进程运行起来之后，在/proc目录下会有一个内存级的目录存放进程的相关信息，我们可以在这里找到我们运行的进程。

可以看到，这里有两个路径。

exe：代表可执行文件在磁盘中的路径
cwd：current work directory，当前进程的工作路径，即我们常说的当前路径

当前路径可以更改吗？

可以，当前路径可以通过系统调用chdir更改

path：想要更改的路径

return value：调用成功返回0，失败返回-1

可以看到，cwd已经被更改。

在我们之前实现的Shell中，如果想要使用cd命令更改当前路径，似乎是做不到的

这是因为，按照我们之前的思路，每次都是派生子进程来执行命令，那么子进程的工作目录会切换到我们指定的路径，但是子进程执行完毕之后就被回收了，我们在父进程看不见路径的切换。

所以有了上述chdir的前置知识，那么就很好解决这个问题了：在命令解析之后，如果发现遇到了cd命令，就不要派生子进程，直接使用父进程执行系统调用chdir。

3.3 内建命令/外部命令

Linux下的命令分为两种：内建命令和外部命令

内建命令是 shell 程序的一部分，其功能实现在 bash 源代码中，不需要派生子进程来执行，也不需要借助外部程序文件来运行，而是由 shell 进程本身内部的逻辑来完成；
外部命令则是通过创建子进程，然后进行进程程序替换，运行外部程序文件等方式来完成。

我们可以使用type命令来区分内建命令还是外部命令

注：博主这里使用的是汉化过的云服务器，所以结果是中文，翻译上有一点差别

我们上面对cd命令的处理就是内建命令的一种，myshell 遇到 cd 命令时，由自己直接来改变进程工作目录，处理完毕直接 continue，而不会创建子进程。

同时，我们发现 echo 命令也是一个内置命令，这其实也很好的解释了 为什么 “echo $变量” 可以查看本地变量以及为什么 “echo $?” 可以获取最近一个进程的退出码 了：

虽然本地变量只在当前进程有效，但是使用 echo 查看本地变量时，shell 并不会创建子进程，而是直接在当前进程中查找，自然可以找到本地变量；

shell 可以通过进程等待的方式获取上一个子进程的退出状态，然后将其保存在 ? 变量中，当命令行输入 “echo $?” 时，直接输出 ? 变量中的内容，然后将 ? 置为0 (echo 正常退出的退出码)，也不需要创建子进程。

那么，我们可以为我们的Shell添加echo命令了。

3.4 Shell 的最终实现

最后，经过一系列的优化，我们最终得到了一个简易的Shell的demo，这里附上源码：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/wait.h>
#include <assert.h>
#include <errno.h>

#define NUM 1024//输入缓冲区大小
#define OPT_NUM 64//命令参数最大个数
char lineCommand[NUM];//输入缓冲区
char* argv[OPT_NUM];
int EXIT_CODE;
int main()
{
    while(1)//死循环，因为Shell要一只运行着
    {
        //打印输出命令提示符
        printf("[用户名@主机名 当前路径]$ ");
        fflush(stdout);//由于打印命令提示符的时候没有换行，所以这里手动刷新缓冲区
        //获取输入
        char* str = fgets(lineCommand, sizeof(lineCommand) - 1, stdin);//最后一个位置用于在极端情况下保证字符串内有'\0'
        assert(str);//判断合法性
        (void)str;
        lineCommand[strlen(lineCommand) - 1] = '\0';//消除行命令中的换行

        //命令解析（字符串切割）
        argv[0] = strtok(lineCommand, " ");
        int i = 1;

        if(argv[0] != NULL && strcmp(argv[0], "ls") == 0)//识别ls，自动加上颜色选项
        {
            argv[i++] = (char*)"--color=auto";
        }

        while(argv[i++] = strtok(NULL, " "));//使用字符串切割函数依次拿到每个参数

        if(argv[0] != NULL && strcmp(argv[0], "cd") == 0)
        {
            if(argv[1] != NULL)
            {
                chdir(argv[1]);
            }
            else
            {
                printf("no such file or directory\n");
            }
            continue;
        }
        if(argv[0] != NULL && strcmp(argv[0], "echo") == 0)
        {
            if(strcmp(argv[1], "$?") == 0)
            {
                printf("%d\n", EXIT_CODE);
                EXIT_CODE = 0;
            }
            else
            {
                printf("%s\n", argv[1]);
            }
            continue;
        }

        //创建子进程
        pid_t id = fork();
        if(id == -1)
        {
            perror("fork");
            exit(errno);
        }
        else if(id == 0)
        {
            //child
            //进程程序替换
            execvp(argv[0], argv);
            //执行到此处的时候，证明进程替换错误
            perror("exec:");
            exit(errno);
        }
        else
        {
            //parent
            //进程等待
            int status = 0;//退出状态
            pid_t ret = waitpid(id, &status, 0);//阻塞等待
            EXIT_CODE = (status >> 8) & 0xFF;
            if(ret == -1)
            {
                perror("wait fail");
                exit(errno);
            }
        }
    }
    return 0;
}