shell的模拟实现

整体框架分析

代码演示

代码分析

整体框架分析

考虑下面这个与shell典型的互动：
[xzy@ecs-333953 date16]$ ls
makefile  mycmd  mycmd.cpp  myexec  myexec.c  test.py
[xzy@ecs-333953 date16]$ ps
  PID TTY          TIME CMD
21919 pts/0    00:00:00 bash
21947 pts/0    00:00:00 ps
[xzy@ecs-333953 date16]$ 
用下图的时间轴来表示事件的发生次序。其中时间从左到右。shell由表示为bash的方块代表，它随着时间的流逝从左向右移动。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。

然后shell读取新的一行输入，建立一个新的进程，在这个进程中运行程序并等待这个进程结束，所以要写一个shell，需要循环以下过程：

获取命令行
解析命令行
建立一个子进程（fork）
替换子进程（execvp）
等待子进程退出（wait）

根据这些思路，和我们前面学习的技术，就可以自己来实现一个shell了。

代码演示

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

#define SEP " "//分隔符
#define NUM 1024
#define SIZE 128

char command_line[NUM];
char* command_args[SIZE];
char env_buffer[NUM];//for test

//对应上层的内建命令
int ChangeDir(const char* new_path)
{
	chdir(new_path);
	return 0;//调用成功
}

void PutEnvInMyShell(char* new_env)
{
	putenv(new_env);
}
int main()
{
	//shell本质就是一个死循环
	while (1)
	{
		//1、显示提示符
		printf("[张三@我的主机名 当前目录]# ");
		fflush(stdout);

		//2、获取用户输入
		memset(command_line, '\0', sizeof(command_line) * sizeof(char));
		fgets(command_line, NUM, stdin);//键盘，标准输入，stdin，获取到的是C风格的字符串，'\0'结尾
		command_line[strlen(command_line) - 1] = '\0';//清空回车键的\n

		//3、"ls -a -l -i" -> "ls" "-a" "-l" "-i" 字符串切分
		command_args[0] = strtok(command_line, SEP);
		int index = 1;
		//给ls命令添加颜色
		if (strcmp(command_args[0]/*程序名*/, "ls") == 0)
		{
			command_args[index++] = (char*)"--color=auto";
		}
		// = 是故意这么写的
		// strtok截取成功，返回字符串起始地址;截取失败，返回NULL
		while (command_args[index++] = strtok(NULL, SEP));
		//for debug
	    //for (int i = 0; i < index; i++)
	    //{
	    //  printf("%d : %s\n", i, command_args[i]);
	    //}

		//4、TOOD，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，父进程
			continue;
		}
		if (strcmp(command_args[0], "export") == 0 && command_args[1] != NULL)
		{
			//目前，环境变量信息在command_line，会被清空
			//此处我们需要自己保存一下环境变量内容
			strcpy(env_buffer, command_args[1]);
			PutEnvInMyShell(env_buffer);//export myval=100;
			continue;
		}

		//5、创建进程，执行
		pid_t id = fork();
		if (id == 0)
		{
			//child
			//6、程序替换
			execvp(command_args[0]/*此处下标0就是保存的我们要执行的程序名字*/, command_args);
			exit(1);//执行到这里，子进程一定替换失败
		}
		int status = 0;
		pid_t ret = waitpid(id, &status, 0);
		if (ret > 0)
		{
			printf("等待子进程成功：sig: %d, code: %d\n", status & 0x7F, (status >> 8) & 0xFF);
		}
	}//end while 
	return 0;
}

运行gif动图演示：

代码分析

首先，一个shell本质就是一个死循环，所以写成while(1)死循环。接下来进入如下几大步骤：

一、显示提示符：

这里只是简易模拟，不关心属性的接口，所以用“张三@我的主机名当前目录”来简易表示，为了让输出的内容在#的后面，要加上fflush(stdout)刷新缓冲区。
//1、显示提示符
printf("[张三@我的主机名 当前目录]# ");
fflush(stdout);
二、获取用户输入

先宏定义NUM，再定义一个command_line[NUM]数组，利用mmset把数组设置为'\0'，我们平时在输入指令时或有带空格的场景（ls -a -l -i），需要将其整体当成字符串获取，用fgets来解决，注意输出指令后会按下回车键，回车也是字符，要把其去掉，否则会多输出一行，只需要把数组里最后一个字符设为'\0'即可。
#define NUM 1024
char command_line[NUM];
//2、获取用户输入
memset(command_line, '\0', sizeof(command_line) * sizeof(char));
fgets(command_line, NUM, stdin);//键盘，标准输入，stdin，获取到的是C风格的字符串，'\0'结尾
command_line[strlen(command_line) - 1] = '\0';//清空回车键的\n
三、字符串切分 + 给ls命令添加颜色

下面我们需要把获取到的一整个字符串("ls -a -l -i"）拆分成("ls" "-a" "-l" "-i"），因为后续要一个一个或以数组的形式把这一个个命令传给替换函数。这里我们利用strtok函数（把一串字符串按照分隔符来切割）来解决，先定义一个command_args指针数组，把下表0的位置利用strtok截取到以空格" '为分隔符的位置，这就让下表0为ls了，提取成功了，接下来截取剩下的，利用while语句，注意如果第一个已经截取了，那么strtok截取剩下的字符串的函数的第一个参数要设为NULL。

我们利用which指令看下正常的ls里的内容：

这里面的--color=auto就是能够让ls命令有颜色的选项，并且利用alias将其取别名为ls指令，我们需要给自己写的ls指令加上--color=auto这个选项，首先利用strcmp函数判断当command_args数组下标0程序名的位置和"ls"是一样的，那么就在数组下标1处添加--color=auto即可。
#define SEP " "//分隔符
#define SIZE 128
char* command_args[SIZE];
//3、字符串切分"ls -a -l -i" -> "ls" "-a" "-l" "-i" 
command_args[0] = strtok(command_line, SEP);
int index = 1;
//给ls命令添加颜色
if (strcmp(command_args[0]/*程序名*/, "ls") == 0)
{
	command_args[index++] = (char*)"--color=auto";
}
// = 是故意这么写的
// strtok截取成功，返回字符串起始地址;截取失败，返回NULL
while (command_args[index++] = strtok(NULL, SEP));
4、内建命令

内建命令1：

理想状态下，使用cd ..可以回退上级目录，但是就现在模拟的程序中是执行不了的：

如果exec*执行，发生了程序替换，只影响子进程，最多只是让子进程进行程序路径切换，但是子进程是一运行就完毕的进程！那么路径切换就没有意义了，所以我们在shell中更希望父进程的路径shell本身发生变化，而不是让子进程路径发生变化。
如果有些行为，是必须让父进程shell执行的，不想让子进程执行，在这样的场景下是绝对不能创建子进程。所以只能是父进程自己实现对应的代码，这种由shell自己执行的命令，我们称之为内建（内置 build -in）命令。

为了解决上述路径切换的问题，我们需要用到chdir函数，其作用是更改工作路径，哪个进程调用此函数，那么它的工作路径就要发生变化。

这里我们手写一个ChangeDir函数，内部调用系统的chdir，接下来利用strcmp函数判断当command_args[0]的位置为"cd"指令时，直接调用ChangeDir函数切换成父进程，路径就是command_args[1]，并加上continue，目的是不进行后续的创建进程。
//4、内建命令完成路径切换
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，父进程
	continue;
}
内建命令2：

在我们之前的学习中，清楚使用export可以将变量导入环境变量，如下的hello.c程序即可帮我们演示前后的变化：

我们运行此程序，接着执行export xxx=123后，环境变量应该会多一个：

但是在我已经使用export添加xxx环境变量后，运行myshell程序，再次执行hello_env程序，并不能在我写的shell里看到添加过的环境变量：

产生此现象的原因不奇怪：

因为myshell的父进程系统中的shell，所以继承的是系统中的环境变量，我们使用的是execvp的程序替换，这也足以证明默认的不带e的程序替换是默认会把环境变量传给所有子进程的，契合了环境变量具有全局属性。当我们使用execvpe，并且手动传入环境变量后，就能看到我们导入的xxx=123环境变量了。

如果我现在就想用execvp替换函数，并且导出环境变量还要能让子进程看到，解决过程如下：

运行我自己写的myshell，利用export导入环境变量：

我们调整hello.c的代码：

为了解决上述问题，又要用到内建命令了，需要用到putenv函数，作用是把特定的环境变量导入当前进程的上下文环境中。

这里我们手写一个PutEnvInMshell的函数，内部调用putenv函数，利用strcmp函数判断当comand_args[0]的位置为export命令时，直接调用PutEnvInMshell函数，但是注意目前的环境变量信息在command_line中，会被清空，所以需要提前保存一下环境变量内容。
char env_buffer[NUM];//for test
void PutEnvInMyShell(char* new_env)
{
	putenv(new_env);
}
if (strcmp(command_args[0], "export") == 0 && command_args[1] != NULL)
{
	//目前，环境变量信息在command_line，会被清空
	//此处我们需要自己保存一下环境变量内容
	strcpy(env_buffer, command_args[1]);
	PutEnvInMyShell(env_buffer);//export myval=100;
	continue;
}
综上，我们根据环境变量的数据在进程的上下文中，总结出如下两点：

环境变量会被子进程继承下去，所以它会有全局属性
当我们进行程序替换的时候，当前进程的环境变量非但不会被替换，而且是继承父进程的

5、创建进程，执行 && 6、程序替换

这里的目的是让子进程去执行程序替换，而不是让自己本身去执行，所以要创建进程，创建的过程都是基操
程序替换函数这里要选择execvp最为方便，因为我们输入的命令行参数全部被打散到了command_args数组里头，何不利用起来呢，此外执行的程序名字就是此数组的下标0位置
//5、创建进程，执行
pid_t id = fork();
if (id == 0)
{
	//child
	//6、程序替换
	execvp(command_args[0]/*此处下标0就是保存的我们要执行的程序名字*/, command_args);
	exit(1);//执行到这里，子进程一定替换失败
}
int status = 0;
pid_t ret = waitpid(id, &status, 0);
if (ret > 0)
{
	printf("等待子进程成功：sig: %d, code: %d\n", status & 0x7F, (status >> 8) & 0xFF);
}