【应用篇】09.实现简易的Shell命令行解释器

卡戎-caryon2025-01-12 9:28

一、shell和bash的关系

shell是命令解释器，它接收用户的命令并将其传递给内核去执行。bash,即GNU Bourne-Again Shell，是shell的一种实现方式，也是大多数linux系统下默认的shell。

bash的原理

大多数的指令进程（除了内建命令）都是bash的子进程。当我们要执行一条类似ls -a指令时，bash会提前fork出一个子进程，然后让子进程去执行指令。

我们可以画出bash进程执行指令的过程图来帮助理解：

二、分析及其实现

在上图中，bash几乎一直在循环做以下操作：

1.获取指令

2.解析命令行

3.fork创建子进程

4.命令程序替换子进程

5.等待子进程终止

...

1.1 框架构建

cpp 复制代码 
void my_shell() 
{    
    while(true)    
    {    
    	// 1. 命令行提示符   
        PrintCommandLine();  
        // 2. 获取用户命令     
        if( !GetCommandLine(command_buffer, basesize) )                                                                    
        {    
            continue;    
        }    
        // 3. 分析命令   
        ParseCommandLine(command_buffer, strlen(command_buffer));  
    	// 4. 执行命令    
        ExecuteCommand();   
    }      
}

1.2 打印命令行

我们利用环境变量来获取所需要的主机名，用户名，当前路径等。

cpp 复制代码 
string GetUserName()
{
    string name = getenv("USER");
    return name.empty() ? "None" : name;
}
string GetHostName()
{
    string hostname = getenv("HOSTNAME");
    return hostname.empty() ? "None" : hostname;
}
string GetPwd()
{
    if(nullptr == getcwd(pwd, sizeof(pwd))) return "None";
    snprintf(pwdenv, sizeof(pwdenv),"PWD=%s", pwd);
    return pwd;
}
string LastDir()
{
    string curr = GetPwd();
    if(curr == "/" || curr == "None") return curr;
    size_t pos = curr.rfind("/");
    if(pos == std::string::npos) return curr;
    return curr.substr(pos+1);
}
string MakeCommandLine()
{
    char command_line[basesize];
    snprintf(command_line, basesize, "[%s@%s %s]# ",GetUserName().c_str(), GetHostName().c_str(), LastDir().c_str());
    return command_line;
}
void PrintCommandLine() 
{
    printf("%s", MakeCommandLine().c_str());
    fflush(stdout);
}

1.3 获取命令行输入

通过fgets获取用户的输入，但是需要去除掉'\n'。

cpp 复制代码 
bool GetCommandLine(char command_buffer[], int size)  
{
    char *result = fgets(command_buffer, size, stdin);
    if(!result)
    {
        return false;
    }
    //去除\n
    command_buffer[strlen(command_buffer)-1] = 0;
    if(strlen(command_buffer) == 0) return false;
    return true;
}

1.4 分析命令

将输入的指令打散成指针数组，利用gargc计数，gargv进行存储。使用C语言中的strtok进行切割。

cpp 复制代码 
void ParseCommandLine(char command_buffer[], int len) 
{
    (void)len;
    memset(gargv, 0, sizeof(gargv));
    gargc = 0;
    const char *sep = " ";
    gargv[gargc++] = strtok(command_buffer, sep);
    // =是刻意写的
    while((bool)(gargv[gargc++] = strtok(nullptr, sep)));
    gargc--;
}

1.5 执行命令

让子进程调用exec系列接口去执行命令。

cpp 复制代码 
bool ExecuteCommand()   // 4. 执行命令
{
    // 让子进程进行执行
    pid_t id = fork();
    if(id < 0) return false;
    if(id == 0)
    {
        //子进程
        // 1. 执行命令
        execvpe(gargv[0], gargv, genv);
        // 2. 退出
        exit(0);
    }
    int status = 0;
    pid_t rid = waitpid(id, &status, 0);
    if(rid > 0)
    {
        if(WIFEXITED(status))
        {
            lastcode = WEXITSTATUS(status);
        }
        else
        {
            lastcode = 100;
        }
        return true;
    }
    return false;
}

1.6 执行内建命令

有些指令是必须要由父进程执行的，这些命令就是内建命令，如cd等。

cpp 复制代码 
bool CheckAndExecBuiltCommand()
{
    if(strcmp(gargv[0], "cd") == 0)
    {
        // 内建命令
        if(gargc == 2)
        {
            chdir(gargv[1]);
            return true;
        }
    }
    else if(strcmp(gargv[0], "export") == 0)
    {
        // export也是内建命令
        if(gargc == 2)
        {
            AddEnv(gargv[1]);
        	return true;
        }
    }
    else if(strcmp(gargv[0], "env") == 0)
    {
        for(int i = 0; genv[i]; i++)
        {
            printf("%s\n", genv[i]);
        }
        return true;
    }
    else if(strcmp(gargv[0], "echo") == 0)
    {
        if(gargc == 2)
        {
            // echo $?
            // echo $PATH
            // echo hello
            if(gargv[1][0] == '$')
            {
                if(gargv[1][1] == '?')
                {
                    printf("%d\n", lastcode);
                }
            }
            else
            {
                printf("%s\n", gargv[1]);
            }
         	return true;
        }
    }
    return false;
}

二、源码

下面的代码是可以执行的完整实现了绝大部分功能的shell，添加了环境变量的导入与错误码的规定。

cpp 复制代码 
#include <iostream>
#include <cstdio>
#include <cstdlib>
#include <cstring>
#include <string>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/wait.h>

using namespace std;

const int basesize = 1024;
const int argvnum = 64;
const int envnum = 64;
// 全局的命令行参数表
char *gargv[argvnum];
int gargc = 0;

// 全局的变量
int lastcode = 0;

// 我的系统的环境变量
char *genv[envnum];

// 全局的当前shell工作路径 
char pwd[basesize];
char pwdenv[basesize];

string GetUserName()
{
    string name = getenv("USER");
    return name.empty() ? "None" : name;
}

string GetHostName()
{
    string hostname = getenv("HOSTNAME");
    return hostname.empty() ? "None" : hostname;
}

string GetPwd()
{
    if(nullptr == getcwd(pwd, sizeof(pwd))) return "None";
    snprintf(pwdenv, sizeof(pwdenv),"PWD=%s", pwd);
    putenv(pwdenv); 
    return pwd;
}

string LastDir()
{
    string curr = GetPwd();
    if(curr == "/" || curr == "None") return curr;
    size_t pos = curr.rfind("/");
    if(pos == std::string::npos) return curr;
    return curr.substr(pos+1);
}

string MakeCommandLine()
{
    char command_line[basesize];
    snprintf(command_line, basesize, "[%s@%s %s]# ",GetUserName().c_str(), GetHostName().c_str(), LastDir().c_str());
    return command_line;
}

void PrintCommandLine() 
{
    printf("%s", MakeCommandLine().c_str());
    fflush(stdout);
}

bool GetCommandLine(char command_buffer[], int size)  
{
    char *result = fgets(command_buffer, size, stdin);
    if(!result)
    {
        return false;
    }
    command_buffer[strlen(command_buffer)-1] = 0;
    if(strlen(command_buffer) == 0) return false;
    return true;
}

void ParseCommandLine(char command_buffer[], int len)
{
    (void)len;
    memset(gargv, 0, sizeof(gargv));
    gargc = 0;
    const char *sep = " ";
    gargv[gargc++] = strtok(command_buffer, sep);
    while((bool)(gargv[gargc++] = strtok(nullptr, sep)));
    gargc--;
}

void debug()
{
    printf("argc: %d\n", gargc);
    for(int i = 0; gargv[i]; i++)
    {
        printf("argv[%d]: %s\n", i, gargv[i]);
    }
}
bool ExecuteCommand()  
{
    // 让子进程进行执行
    pid_t id = fork();
    if(id < 0) return false;
    if(id == 0)
    {
        //子进程
        // 1. 执行命令
        execvpe(gargv[0], gargv, genv);
        // 2. 退出
        exit(1);
    }
    int status = 0;
    pid_t rid = waitpid(id, &status, 0);
    if(rid > 0)
    {
        if(WIFEXITED(status))
        {
            lastcode = WEXITSTATUS(status);
        }
        else
        {
            lastcode = 100;
        }
        return true;
    }
    return false;
}
void AddEnv(const char *item)
{
    int index = 0;
    while(genv[index])
    {
        index++;
    }

    genv[index] = (char*)malloc(strlen(item)+1);
    strncpy(genv[index], item, strlen(item)+1);
    genv[++index] = nullptr;
}
// shell自己执行命令，本质是shell调用自己的函数
bool CheckAndExecBuiltCommand()
{
    if(strcmp(gargv[0], "cd") == 0)
    {
        // 内建命令
        if(gargc == 2)
        {
            chdir(gargv[1]);
            lastcode = 0;
        }
        else
        {
            lastcode = 1;
        }
        return true;
    }
    else if(strcmp(gargv[0], "export") == 0)
    {
        // export也是内建命令
        if(gargc == 2)
        {
            AddEnv(gargv[1]);
            lastcode = 0;
        }
        else
        {
            lastcode = 2;
        }
        return true;
    }
    else if(strcmp(gargv[0], "env") == 0)
    {
        for(int i = 0; genv[i]; i++)
        {
            printf("%s\n", genv[i]);
        }
        lastcode = 0;
        return true;
    }
    else if(strcmp(gargv[0], "echo") == 0)
    {
        if(gargc == 2)
        {
            // echo $?
            // echo $PATH
            // echo hello
            if(gargv[1][0] == '$')
            {
                if(gargv[1][1] == '?')
                {
                    printf("%d\n", lastcode);
                    lastcode = 0;
                }
            }
            else
            {
                printf("%s\n", gargv[1]);
                lastcode = 0;
            }
        }
        else
        {
            lastcode = 3;
        }
        return true;
    }
    return false;
}

// 作为一个shell，获取环境变量应该从系统的配置来
// 我们今天就直接从父shell中获取环境变量
void InitEnv()
{
    extern char **environ;
    int index = 0;
    while(environ[index])
    {
        genv[index] = (char*)malloc(strlen(environ[index])+1);
        strncpy(genv[index], environ[index], strlen(environ[index])+1);
        index++;
    }
    genv[index] = nullptr;
}

int main()
{
    InitEnv();
    char command_buffer[basesize];
    while(true)
    {
        PrintCommandLine(); // 1. 命令行提示符
        if( !GetCommandLine(command_buffer, basesize) )   // 2. 获取用户命令
        {
            continue;
        }
        ParseCommandLine(command_buffer, strlen(command_buffer)); // 3. 分析命令

        if ( CheckAndExecBuiltCommand() )
        {
            continue;
        }

        ExecuteCommand();   // 4. 执行命令
    }
    return 0;
}
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