Linux--自主编写shell

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shell原理

shell与用户互动的过程

实现shell

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Linux--进程控制（2）--进程的程序替换（夺舍）-CSDN博客

shell原理

在Linux中，shell的工作原理主要涉及到用户与操作系统之间的交互。shell是用户与Linux内核进行通信的桥梁，它负责解释和执行用户输入的命令，并将这些命令转换为内核可以执行的操作。

具体来说，当用户在命令行界面（CLI）中输入一个命令时，shell会首先接收这个输入。然后，shell会对命令进行解析，识别出命令名、参数和选项等组成部分。这个过程包括检查命令是否是shell内部的命令，或者是否是一个外部的应用程序。

如果命令是内部的，shell会直接执行相应的操作。如果命令是外部的，shell会在搜索路径中查找这个应用程序的可执行文件。搜索路径是一个包含可执行程序目录的列表，shell会按照顺序在这些目录中查找命令对应的可执行文件。

一旦找到可执行文件，shell会将其加载到内存中，并创建一个新的进程来执行这个命令。这个进程会调用系统调用，与Linux内核进行交互，完成命令所指定的操作。

最后，shell会将命令执行的结果输出到命令行界面，供用户查看。这个结果可以是命令的输出信息，也可以是命令执行的状态码，用于表示命令是否成功执行。

shell与用户互动的过程

举个例子：

用下图的时间轴来表示事件的发生次序。其中时间从左向右。shell由标识为sh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。

根据这些思路，和我们前面的学的技术，就可以自己来实现一个shell了。

实现shell

0.用到的头文件和宏定义
cpp 复制代码
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <errno.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/wait.h>

#define SIZE 512
#define ZERO '\0'
#define SEP " "
#define NUM 32
#define SkipPath(p) do{ p += (strlen(p)-1); while(*p != '/') p--; }while(0)

char cwd[SIZE*2];
char *gArgv[NUM];
int lastcode = 0;
这里补充一下，如果命令输入错入，要删除重新输入。删除：CTRL+删除键

退出自己写的shell：CTRL+c

1.首先我们需要自己输出一个命令行

[light@VM-16-9-centos myshell]$ 获取用户名主机名所处的工作目录

1.1获取用户名

使用 getenv 函数从环境变量 USER 中获取值，并将其存储在名为 name 的 const char* 类型的变量中。getenv 函数返回指向该环境变量值的指针，如果该环境变量不存在，则返回 NULL。
cpp 复制代码
const char *GetUserName()
{
    const char *name = getenv("USER");
    if(name == NULL) return "None";
    return name;
}
1.2获取主机名
cpp 复制代码
const char *GetHostName()
{
    const char *hostname = getenv("HOSTNAME");
    if(hostname == NULL) return "None";
    return hostname;
}
同样的，这里我们只需要从环境变量HOSTNAME中获取就行了。

1.3获取所处的工作目录
cpp 复制代码
const char *GetCwd()
{
    const char *cwd = getenv("PWD");
    if(cwd == NULL) return "None";
    return cwd;
}
使用环境变量PWD获取的是绝对路径，但我们可以只截取当前目录的，这里为了和shell更好的区分就先不截取了。

1.4封装打印函数

封装打印函数我们要使用到snprintf函数：

snprintf() 是一个 C 语言标准库函数，用于格式化输出字符串，并将结果写入到指定的缓冲区，与 sprintf() 不同的是，snprintf() 会限制输出的字符数，避免缓冲区溢出。安全性更高
cpp 复制代码
void MakeCommandLineAndPrint()
{
    char line[SIZE]；
    const char *username = GetUserName();
    const char *hostname = GetHostName();
    const char *cwd = GetCwd();

    snprintf(line, sizeof(line), "[%s@%s %s]> ", username, hostname,cwd);
    printf("%s", line);
    fflush(stdout);
}
我们将之前写的函数都封装在这个函数中，接收了两个参数，一个字符数组 line 和一个 size_t 类型的 size。字符数组 line 用于存储构建的命令行提示符。模仿shell的输出我们的命令行。调用 fflush 函数清空标准输出缓冲区，确保提示符字符串被立即打印到屏幕上，而不是被缓存在内部缓冲区中。

效果演示：

2.获取用户命令行字符
cpp 复制代码
int GetUserCommand(char command[], size_t n)
{
    char *s = fgets(command, n, stdin);
    if(s == NULL) return -1;
    command[strlen(command)-1] = ZERO;
    return strlen(command); 
}
函数的目的是从标准输入（stdin）读取用户输入的命令，并将其存储在传入的字符数组 command 中。函数返回读取到的命令的长度，或者在发生错误时返回 -1。

使用 fgets 函数从标准输入（stdin）读取最多 n-1 个字符（保留一个位置给字符串结束符 '\0'）并存储在 command 数组中。fgets 函数返回指向 command 的指针，并将其赋值给 s。

command[strlen(command)-1] = ZERO;

这一行尝试将 command 数组中的最后一个字符（通常是换行符 '\n'）替换为 ZERO。使用 '\0' 来替换换行符，因为我们我们使用fgets函数读取完字符串最后回车，换行符会被读取到。

效果演示：

3.命令行字符串分割

期望"ls -a -l -n" ---->"ls" "-a" "-l" "-n" 并把它们放在命令行参数表中。

这里我们要是用一个函数strtok：

strtok 是 C 语言中的一个标准库函数，用于分解字符串。它基于指定的分隔符集合来分割字符串，并返回指向下一个标记的指针。这个函数在处理文本文件或字符串时非常有用，特别是当你需要按照特定的分隔符（如逗号、空格等）来分割字符串时。
cpp 复制代码
#define NUM 32
char *gArgv[NUM];
void SplitCommand(char command[], size_t n)
{
    // "ls -a -l -n" -> "ls" "-a" "-l" "-n"
    gArgv[0] = strtok(command, SEP);
    int index = 1;
    while((gArgv[index++] = strtok(NULL, SEP)));
}
done, 故意写成=,表示先赋值，在判断. 分割之后，strtok会返回NULL，刚好让gArgv最后一个元素是NULL, 并且while判断结束。char *gArgv[NUM];表示命令行参数表，这个是二维数组。

这里就不做演示，命令行参数被分割好后，会被依次放在命令行参数表中。

4.执行命令

执行命令这里我们就要用到替换函数了，我们有命令行参数表（数组），我们直接使用execvp函数就行了

int execvp(const char *file, char *const argv[]);

p：用户可以不传要执行的文件路径（但是要穿文件名），查找这个程序，系统会自动在环境变量PATH中进行查找。
cpp 复制代码
int lastcode = 0;
void Die()
{
    exit(1);
}
void ExecuteCommand()
{
    pid_t id = fork();
    if (id < 0) Die();
    else if (id == 0)
    {
        // child
        execvp(gArgv[0], gArgv);
        exit(errno);
    }
    else
    {
        // fahter
        int status = 0;
        pid_t rid = waitpid(id, &status, 0);
        if (rid > 0)
        {
            lastcode = WEXITSTATUS(status);
            if (lastcode != 0) printf("%s:%s:%d\n", gArgv[0], strerror(lastcode), lastcode);
        }
    }
}
使用 fork() 函数创建一个新的子进程。fork() 返回两次：在父进程中返回子进程的PID，在子进程中返回0。如果创建失败直接杀掉。

子进程执行命令 ：如果 fork() 返回0，说明当前代码在子进程中执行。子进程调用 execvp(gArgv[0], gArgv) 来执行 gArgv 数组指定的命令。execvp 会用新的程序替换当前进程的映像，如果成功则不会返回；如果失败则返回-1，子进程会执行 exit(errno) 来退出，其中 errno 包含了出错信息。

父进程等待子进程 ：如果 fork() 返回的值大于0，说明当前代码在父进程中执行。父进程调用 waitpid(id, &status, 0) 来等待子进程结束。waitpid 会阻塞父进程，直到子进程结束或发生错误

处理子进程退出状态 ：如果 waitpid 成功返回（即 rid > 0），父进程会检查子进程的退出状态。WEXITSTATUS(status) 宏用于从 status 中提取子进程的退出状态码。如果退出状态码不是0（通常表示子进程正常结束），则打印出命令名、对应的错误描述和退出状态码。

效果演示：

5.设置循环

为了能多次的执行命令，我们需要设置循环

6.检测内建命令

1.无法进行目录的回退（内建命令）

这是因为我们是使用子进程执行的，但是这个进程是属于父进程的，子进程执行完就结束了与父进程是无关的。像cd这种命令应该是让父进程执行的，而不是让子进程来执行。这种需要父进程执行的命令，叫做内建命令

因此我们在执行命令的时候，需要检测是不是内建命令

使用 chdir 函数来改变当前工作目录到目标路径。
cpp 复制代码
const char* GetHome()
{
    const char* home = getenv("HOME");
    if (home == NULL) return "/";
    return home;
}
void Cd()
{
    const char* path = gArgv[1];
    if (path == NULL) path = GetHome();
    // path 一定存在
    chdir(path);

    // 刷新环境变量
    char temp[SIZE * 2];
    getcwd(temp, sizeof(temp));
    snprintf(cwd, sizeof(cwd), "PWD=%s", temp);
    putenv(cwd); // OK
}
int CheckBuildin()
{
    int yes = 0;
    const char* enter_cmd = gArgv[0];
    if (strcmp(enter_cmd, "cd") == 0)
    {
        yes = 1;
        Cd();
    }
    else if (strcmp(enter_cmd, "echo") == 0 && strcmp(gArgv[1], "$?") == 0)
    {
        yes = 1;
        printf("%d\n", lastcode);
        lastcode = 0;
    }
    return yes;
}
GetHome 函数

这个函数试图获取当前用户的主目录路径。它使用 getenv 函数来检索环境变量 "HOME" 的值，该环境变量通常包含了用户的主目录路径。如果 getenv 返回 NULL（即没有找到 "HOME" 环境变量），则函数返回 "/"，这通常代表根目录。

Cd 函数

这个函数实现了 cd 命令的功能，即改变当前工作目录。

它首先获取 gArgv[1] 作为目标路径。gArgv 应该是一个全局数组，包含了命令行参数。

如果 gArgv[1] 为 NULL（即没有提供路径参数），则调用 GetHome 函数来获取用户的主目录，并将其作为目标路径。

使用 chdir 函数来改变当前工作目录到目标路径。

然后，它获取当前工作目录的路径，并构建一个字符串 "PWD=<当前工作目录>"，其中 PWD 是一个常见的环境变量，用于存储当前工作目录的路径。

最后，使用 putenv 函数将构建的字符串添加到环境变量中，从而"刷新"环境变量。

CheckBuildin 函数

这个函数检查 gArgv[0]（通常是命令名）是否是内置命令，并执行相应的操作。

它首先初始化一个变量 yes 为 0，用于标记是否找到了内置命令。

如果 gArgv[0] 是 "cd"，则 yes 被设置为 1，并调用 Cd 函数来执行 cd 命令。

如果 gArgv[0] 是 "echo" 并且 gArgv[1] 是 "$?"，则 yes 也被设置为 1，并打印出 lastcode 的值（它是一个全局变量，用于存储上一个命令的退出状态码）。之后，将 lastcode 重置为 0。

函数最后返回 yes 的值，如果找到了内置命令并成功执行，则返回 1，否则返回 0。

效果演示:

如果是内建命令，则跳过下面的执行命令，进入下一次循环

7.完善细节--获取工作目录而非路径

这里我们改写了一下打印。
cpp 复制代码
#define SkipPath(p) do{ p += (strlen(p)-1); while(*p != '/') p--; }while(0)

void MakeCommandLineAndPrint()
{
    char line[SIZE];
    const char* username = GetUserName();
    const char* hostname = GetHostName();
    const char* cwd = GetCwd();

    SkipPath(cwd);
    snprintf(line, sizeof(line), "[%s@%s %s]> ", username, hostname, strlen(cwd) == 1 ? "/" : cwd + 1);
    printf("%s", line);
    fflush(stdout);
}
这个宏接受一个指向字符的指针 p，该指针指向一个字符串，这个字符串应该是一个文件路径。宏的作用是将 p 移动到该路径中最后一个斜杠 '/' 的位置。

使用 snprintf 函数构建命令行提示符。格式是 "[用户名@主机名当前工作目录]> "。这里还做了一个小处理：如果 cwd 的长度是1（即只有斜杠 '/'），则打印根目录 "/"；否则，打印从最后一个斜杠后面的部分开始的工作目录。

效果演示：

完整代码

cpp 复制代码

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

#define SIZE 512
#define ZERO '\0'
#define SEP " "
#define NUM 32
#define SkipPath(p) do{ p += (strlen(p)-1); while(*p != '/') p--; }while(0)

char cwd[SIZE*2];
char *gArgv[NUM];
int lastcode = 0;

void Die()
{
    exit(1);
}

const char *GetHome()
{
    const char *home = getenv("HOME");
    if(home == NULL) return "/";
    return home;
}

const char *GetUserName()
{
    const char *name = getenv("USER");
    if(name == NULL) return "None";
    return name;
}
const char *GetHostName()
{
    const char *hostname = getenv("HOSTNAME");
    if(hostname == NULL) return "None";
    return hostname;
}
// 临时
const char *GetCwd()
{
    const char *cwd = getenv("PWD");
    if(cwd == NULL) return "None";
    return cwd;
}

// commandline : output
void MakeCommandLineAndPrint()
{
    char line[SIZE];
    const char *username = GetUserName();
    const char *hostname = GetHostName();
    const char *cwd = GetCwd();

    SkipPath(cwd);
    snprintf(line, sizeof(line), "[%s@%s %s]> ", username, hostname, strlen(cwd) == 1 ? "/" : cwd+1);
    printf("%s", line);
    fflush(stdout);
}

int GetUserCommand(char command[], size_t n)
{
    char *s = fgets(command, n, stdin);
    if(s == NULL) return -1;
    command[strlen(command)-1] = ZERO;
    return strlen(command); 
}


void SplitCommand(char command[], size_t n)
{
    (void)n;
    // "ls -a -l -n" -> "ls" "-a" "-l" "-n"
    gArgv[0] = strtok(command, SEP);
    int index = 1;
    while((gArgv[index++] = strtok(NULL, SEP)));
}

void ExecuteCommand()
{
    pid_t id = fork();
    if(id < 0) Die();
    else if(id == 0)
    {
        // child
        execvp(gArgv[0], gArgv);
        exit(errno);
    }
    else
    {
        // fahter
        int status = 0;
        pid_t rid = waitpid(id, &status, 0);
        if(rid > 0)
        {
            lastcode = WEXITSTATUS(status);
            if(lastcode != 0) printf("%s:%s:%d\n", gArgv[0], strerror(lastcode), lastcode);
        }
    }
}

void Cd()
{
    const char *path = gArgv[1];
    if(path == NULL) path = GetHome();
    // path 一定存在
    chdir(path);

    // 刷新环境变量
    char temp[SIZE*2];
    getcwd(temp, sizeof(temp));
    snprintf(cwd, sizeof(cwd), "PWD=%s", temp);
    putenv(cwd); // OK
}

int CheckBuildin()
{
    int yes = 0;
    const char *enter_cmd = gArgv[0];
    if(strcmp(enter_cmd, "cd") == 0)
    {
        yes = 1;
        Cd();
    }
    else if(strcmp(enter_cmd, "echo") == 0 && strcmp(gArgv[1], "$?") == 0)
    {
        yes = 1;
        printf("%d\n", lastcode);
        lastcode = 0;
    }
    return yes;
}

int main()
{
    int quit = 0;
    while(!quit)
    {
        // 1. 我们需要自己输出一个命令行
        MakeCommandLineAndPrint();

        // 2. 获取用户命令字符串
        char usercommand[SIZE];
        int n = GetUserCommand(usercommand, sizeof(usercommand));
        if(n <= 0) return 1;

        // 3. 命令行字符串分割. 
        SplitCommand(usercommand, sizeof(usercommand));

        // 4. 检测命令是否是内建命令
        n = CheckBuildin();
        if(n) continue;
        // 5. 执行命令
        ExecuteCommand();
    }
    return 0;
}