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文章专栏-Linux
前言：
Shell（外壳）是一个操作系统的用户界面，它提供了一种方式，使得用户能够与操作系统进行交互。Shell 是用户与操作系统之间的桥梁，允许用户通过命令行输入来执行各种操作，例如文件管理、程序执行、进程控制、系统监控等
常见的 Shell 类型：
Bash（Bourne Again Shell）：- 是 Linux 和 macOS 等类 Unix 系统中常见的默认 Shell。它是 Bourne Shell 的增强版，支持丰富的特性，如命令补全、历史命令、数组等。
Zsh（Z Shell）：- 是一个功能强大的 Shell，支持更丰富的自动化、命令补全、插件系统等特性。Zsh 常常被认为是最为用户友好的 Shell 之一。
Fish（Friendly Interactive Shell）：- 是一个具有用户友好界面和丰富特性（如自动提示、自动补全等）的现代 Shell。其设计注重简洁和易用性。
C Shell（csh）：- 基于 C 语言语法的 Shell，主要用于早期的 Unix 系统。C Shell 提供了较强的脚本编程功能。
Korn Shell（ksh）：- 是一个功能强大的 Shell，结合了 Bourne Shell 和 C Shell 的特性，并且提供了很多增强的功能。
shell外壳的实现
引入头文件
#include<string>
#include<unistd.h>
#include<sys/wait.h>
#include<sys/types.h>
#include<stdlib.h>
#include<stdio.h>
#include<string.h>
#include<assert.h>
-
#include<string>：引入 C++ 的string库，用于字符串处理。 -
#include<unistd.h>：提供访问系统调用的接口，例如fork()、execvp()、getcwd()等。 -
#include<sys/wait.h>：包含等待子进程退出的函数。 -
#include<sys/types.h>：包含系统数据类型的定义，如pid_t（进程 ID 类型）。 -
#include<stdlib.h>：提供一些标准库函数，如exit()、getenv()和putenv()等。 -
#include<stdio.h>：提供输入输出函数，如printf()。 -
#include<string.h>：提供字符串操作函数，如strtok()、strcmp()等。 -
#include<assert.h>：提供调试宏assert()，用于检测程序中的错误
宏定义
#define DELIM " \t"
#define LEFT "["
#define RIGHT "]"
#define LABLE "$"
#define LINE_SIZE 1024
#define ARGC_SIZE 32
#define EXIT_CODE 4
-
DELIM：命令行参数的分隔符，包含空格和制表符。 -
LEFT,RIGHT,LABLE：格式化命令行提示符的符号，用于显示用户、主机和当前工作目录。 -
LINE_SIZE：最大命令行字符长度，设置为1024。 -
ARGC_SIZE：最大命令行参数数量，设置为32。 -
EXIT_CODE：用于退出的错误代码。
全局变量
int quit = 0;
int LASTCODE = 0;
char* argv[ARGC_SIZE];
char commondline[LINE_SIZE];
char pwd[ARGC_SIZE];
char myenv[ARGC_SIZE];
-
quit：控制程序是否退出的标志。 -
LASTCODE：记录上一个命令的退出状态码。 -
argv：存储命令行解析后的参数。 -
commondline：存储输入的命令行字符串。 -
pwd：存储当前工作目录路径。 -
myenv：存储环境变量。
const char* getusr()
{
return getenv("USER");
}
const char* gethostname()
{
return getenv("HOSTNAME");
}
getusr：返回当前用户的用户名。gethostname：返回当前计算机的主机名。
获取当前工作目录
void getpwd()
{
getcwd(pwd, sizeof(pwd));
}
getpwd：调用getcwd获取当前工作目录，并将结果存储在pwd中。
交互式输入处理
void ineract(char* cline, int size)
{
getpwd();
printf(LEFT"%s@%s %s"RIGHT""LABLE" ", getusr(), gethostname(), pwd);
char* s = fgets(cline, size, stdin);
assert(s);
(void)s;
cline[strlen(cline) - 1] = '\0';
}
该 ineract 函数是命令行交互的核心部分，用于显示提示符并获取用户输入。以下是对代码逐行的解析：
函数定义
void ineract(char* cline, int size)
cline：指向存储用户输入命令的字符数组的指针。size：输入缓冲区的大小，表示cline数组的最大容量。
获取当前工作目录并显示提示符
getpwd();
printf(LEFT"%s@%s %s"RIGHT""LABLE" ", getusr(), gethostname(), pwd);
-
getpwd()：调用getpwd函数来获取当前工作目录并存储到全局变量pwd中。 -
printf：显示命令行提示符。格式为[user@hostname pwd]$，其中：getusr()：获取当前用户名（通过环境变量USER）。gethostname()：获取当前主机名（通过环境变量HOSTNAME）。pwd：显示当前工作目录。
提示符通过格式化字符串显示，
LEFT和RIGHT用于添加方括号（[和]）包围信息，而LABLE是一个$字符，表示命令行提示符。
获取用户输入
char* s = fgets(cline, size, stdin);
assert(s);
(void)s;
fgets(cline, size, stdin)：从标准输入（键盘）读取用户输入，存储在cline数组中，最多读取size-1个字符。fgets会自动在输入末尾添加一个\0来终止字符串。assert(s)：如果fgets返回NULL，程序将终止并输出错误信息。assert是一种调试检查，确保输入读取成功。如果s为NULL，说明读取输入失败。(void)s：(void)s的作用是消除未使用变量s的编译器警告，实际上这里并没有做任何事情。
去除输入末尾的换行符
cline[strlen(cline) - 1] = '\0';
strlen(cline) - 1：计算输入字符串的长度，并将其最后一个字符（换行符\n）替换为字符串结束符\0。这一步去除fgets读取时可能留下的换行符。
命令行解析
int AnalyzeCommandLine(char* cline)
{
int i = 0;
argv[i++] = strtok(cline, DELIM);
while (argv[i++] = strtok(NULL, DELIM));
return i - 1;
}
AnalyzeCommandLine 函数用于解析输入的命令行字符串，并将解析出的各个命令参数存储在 argv 数组中。以下是对该函数的逐行解析：
函数定义
int AnalyzeCommandLine(char* cline)
cline：输入的命令行字符串（用户在命令行输入的完整命令）。该字符串将会被解析为多个命令和参数。
初始化参数索引
int i = 0;
i：定义一个整数变量i，用于跟踪argv数组的索引位置，表示当前解析的命令参数的位置。
使用 strtok 解析命令行
argv[i++] = strtok(cline, DELIM);
strtok(cline, DELIM)：strtok 是一个字符串分割函数，它通过指定的分隔符（DELIM）将 cline 字符串分割成多个子字符串。DELIM 在此代码中定义为 " \t"，即空格和制表符。
- 第一次调用
strtok()时，它会返回cline字符串中的第一个子字符串（即命令或第一个参数）。返回值会存储在argv[i]中。 - 然后
i++使得i增加 1，指向下一个位置
继续解析命令行参数
while (argv[i++] = strtok(NULL, DELIM));
strtok(NULL, DELIM)：在第一次调用strtok()后，后续调用需要传入NULL作为第一个参数，表示继续从上次分割的位置开始。strtok()会继续根据分隔符分割剩余的命令行字符串，并返回下一个子字符串。- 这段代码通过
while循环逐个提取命令行中的每个子字符串，并将其存储到argv[i]中。每次调用strtok()后，i++将i指向下一个数组位置。
返回参数的数量
return i - 1;
i - 1：由于最后一次i++会多加一次，因此函数返回i - 1，即存储在argv数组中的参数个数（命令行中的参数数量）。
执行常规命令
void NormalExecl(char* _argv[])
{
pid_t id = fork();
if (id < 0)
{
perror("fork");
return;
}
else if (id == 0)
{
execvp(_argv[0], argv);
exit(EXIT_CODE);
}
else
{
int status = 0;
pid_t rid = waitpid(id, &status, 0);
if (id)
{
LASTCODE = WEXITSTATUS(status);
}
}
}
函数定义
void NormalExecl(char* _argv[])
_argv[]：这是一个参数数组，用于传递命令及其参数。例如，_argv[0]是命令，_argv[1]是命令的第一个参数，依此类推。
创建子进程
pid_t id = fork();
fork()：fork() 函数用于创建一个新进程。它将当前进程复制一份。新进程被称为子进程，原始进程是父进程。
- 如果
fork()成功，它会返回两次：- 父进程：返回子进程的进程 ID（PID）。
- 子进程：返回 0。
- 如果
fork()失败，它返回负值。
错误处理
if (id < 0)
{
perror("fork");
return;
}
id < 0：如果fork()返回负值，表示创建子进程失败。此时打印错误信息并返回。perror("fork")：输出错误信息，说明fork()失败的原因。
子进程执行命令
else if (id == 0)
{
execvp(_argv[0], argv);
exit(EXIT_CODE);
}
id == 0：这是子进程中的代码块。如果 fork() 返回 0，表示当前代码在子进程中执行。
execvp(_argv[0], argv)：子进程调用 execvp() 函数来执行命令。execvp() 会用指定的命令替换当前进程的映像。具体来说：
_argv[0]是命令（例如ls）。argv是命令的参数数组，其中包含命令和它的所有参数（例如ls -l）。
exit(EXIT_CODE)：如果 execvp() 失败，子进程会退出，返回 EXIT_CODE。如果 execvp() 成功，当前进程会被新的命令替代，exit() 不会被执行
父进程等待子进程结束
else
{
int status = 0;
pid_t rid = waitpid(id, &status, 0);
if (id)
{
LASTCODE = WEXITSTATUS(status);
}
}
-
else：这是父进程中的代码块，父进程需要等待子进程结束并获取其退出状态。 -
int status = 0;：定义一个变量status用来存储子进程的退出状态。 -
waitpid(id, &status, 0)：父进程使用
waitpid()函数等待子进程的结束。waitpid()会阻塞父进程，直到指定的子进程结束，并返回子进程的退出状态。id：是子进程的进程 ID，表示父进程等待这个子进程。&status：存储子进程退出时的状态信息。0：表示父进程等待子进程的退出，不对其状态做其他操作。
-
LASTCODE = WEXITSTATUS(status)：获取子进程的退出状态码并存储在LASTCODE中。WEXITSTATUS(status)提取的是子进程的退出代码。
内建命令执行
int BuildExec(char* _argv[], int _argc)
{
if (_argc == 2 && strcmp(_argv[0], "cd") == 0)
{
chdir(_argv[1]);
getpwd();
sprintf(getenv("PWD"), "%s", pwd);
return 1;
}
else if (_argc == 2 && strcmp(_argv[0], "export") == 0)
{
strcpy(myenv, _argv[1]);
putenv(myenv);
return 1;
}
else if (_argc == 2 && strcmp(_argv[0], "echo") == 0)
{
if (strcmp(_argv[1], "$?"))
{
printf("%d\n", LASTCODE);
LASTCODE = 0;
}
else if (strcmp(_argv[1], "$"))
{
char* val = getenv(_argv[1] + 1);
printf("%s\n", val);
}
else
{
printf("%s\n", _argv[1]);
}
}
if (strcmp(_argv[0], "ls") == 0)
{
_argv[_argc++] = "--color";
_argv[_argc] = NULL;
}
return 0;
}
函数定义
int BuildExec(char* _argv[], int _argc)
_argv[]：命令行解析后参数的数组，存储命令及其参数。_argc：命令行参数的数量。
处理 cd 命令
if (_argc == 2 && strcmp(_argv[0], "cd") == 0)
{
chdir(_argv[1]);
getpwd();
sprintf(getenv("PWD"), "%s", pwd);
return 1;
}
strcmp(_argv[0], "cd") == 0：检查命令是否为cd。如果argv[0]是"cd"，则执行以下操作。chdir(_argv[1])：改变当前工作目录到argv[1]指定的路径。getpwd()：调用getpwd()获取新的工作目录并更新全局变量pwd。sprintf(getenv("PWD"), "%s", pwd)：更新环境变量PWD，使其反映当前工作目录。return 1;：表示已经处理了cd命令，因此直接返回，不继续处理后面的代码。
处理 export 命令
else if (_argc == 2 && strcmp(_argv[0], "export") == 0)
{
strcpy(myenv, _argv[1]);
putenv(myenv);
return 1;
}
strcmp(_argv[0], "export") == 0：检查命令是否为export。如果argv[0]是"export"，则执行以下操作。strcpy(myenv, _argv[1])：将argv[1]的值复制到myenv字符数组中。argv[1]应该是一个环境变量的设置（例如"VAR=value"）。putenv(myenv)：使用putenv()将myenv中的环境变量设置添加到当前环境中。return 1;：表示已经处理了export命令，直接返回。
处理 echo 命令
else if (_argc == 2 && strcmp(_argv[0], "echo") == 0)
{
if (strcmp(_argv[1], "$?"))
{
printf("%d\n", LASTCODE);
LASTCODE = 0;
}
else if (strcmp(_argv[1], "$"))
{
char* val = getenv(_argv[1] + 1);
printf("%s\n", val);
}
else
{
printf("%s\n", _argv[1]);
}
}
strcmp(_argv[0], "echo") == 0：检查命令是否为echo。如果是，继续执行以下代码。strcmp(_argv[1], "$?")：检查是否要求输出上一个命令的退出状态码。如果argv[1]是"$?"，则输出上一个命令的退出代码LASTCODE，并将LASTCODE重置为 0。strcmp(_argv[1], "$")：检查是否要求输出某个环境变量的值。如果argv[1]是以$开头（例如$HOME），则获取该环境变量的值并打印。printf("%s\n", _argv[1]);：如果既不是"$?"也不是以$开头，则直接输出argv[1]，即用户传递给echo的字符串。
特殊处理 ls 命令
if (strcmp(_argv[0], "ls") == 0)
{
_argv[_argc++] = "--color";
_argv[_argc] = NULL;
}
strcmp(_argv[0], "ls") == 0：检查命令是否为ls。如果是ls命令，执行以下操作。_argv[_argc++] = "--color";：给ls命令添加--color参数，这样ls命令输出的文件列表会使用不同的颜色显示（通常是通过文件类型区分）。_argv[_argc] = NULL;：将数组最后一个元素设置为NULL，确保execvp()在执行时能正确处理参数数组。
返回值
return 0;
- 如果命令不是内建命令（
cd、export、echo）或者没有进行特殊处理（如ls），则返回 0，表示该命令需要外部执行。
主程序逻辑
int main()
{
while (!quit)
{
//命令行提示
ineract(commondline, sizeof(commondline));
//命令解析
int argc = AnalyzeCommandLine(commondline);
//指令解析
int n = BuildExec(argv, argc);
if (!n) NormalExecl(argv);
}
return 0;
}
main：主程序循环，不断提示用户输入命令。首先获取并解析命令行输入，然后判断是否为内建命令，若不是，则调用NormalExecl执行外部命令。直到quit被设置为 1 时，程序结束。
