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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.c
gcc -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 env
putenv(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;
}
