【Linux】C语言模拟实现shell命令行（程序替换原理）

成工小白2025-06-15 1:02

目录

一、自动化构建工具（makefile）

二、输出提示符

三、获取用户输入的数据

四、将用户输入的指令字符串进行分割：

五、执行用户输入的命令

六、发现cd命令用不了（内建命令）

原因在于：

七、处理内建命令cd：

八、存在一个小问题：

八、处理内建命令export

九、获取最近一次进程的退出码

十、处理内建命令echo

十一、让ls指令输出的内容带上颜色

十二、完整代码

上一章节我们学习了程序替换，现在我们就可以通过程序替换来模拟实现shell命令行；

前些天发现了一个巨牛的人工智能学习网站，通俗易懂，风趣幽默，忍不住分享一下给大家

点击跳转到网站

一、自动化构建工具（makefile）

cpp 复制代码 
myprocess:myshell.c
	gcc -o $@ $^ -g -std=c99
.PHONY:clean
clean:
	rm -f myprocess

二、输出提示符

我们在命令行终端处时，一般会有这个输出提示符：

cpp 复制代码 
#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>

//获取主机名
const char* HostName()
{
    char* hostname = getenv("HOSTNAME");
    if(hostname)return hostname;
    else return "None";
}

//获取当前登录的用户名
const char* UserName()
{
    char* username = getenv("USER");
    if(username)return username;
    else return "None";
}

//获取当前工作目录
const char* CurrentWorkDir()
{
char* currentworkdir = getenv("PWD");
    if(currentworkdir)return currentworkdir;
    else return "None";
}


int main()
{
    //输出提示符
    printf("[%s@%s %s]$ ",UserName(),HostName(),CurrentWorkDir());
    return 0;
}

三、获取用户输入的数据

cpp 复制代码 
void Interactive(char out[],int size)
{
    fgets(out,SIZE,stdin);//stdin是标准输入流，意思就是从键盘获取数据保存到commandline中
    out[strlen(out)-1] = '\0';//因为fgets会读取换行符，所以这步我们去掉换行。
}

int main()
{
    //输出提示符
    printf("[%s@%s %s]$ ",UserName(),HostName(),CurrentWorkDir());

    //获取用户输入的命令
    char commandline[SIZE];
    Interactive(commandline,SIZE);
    printf("test:%s\n",commandline);

    return 0;
}

四、将用户输入的指令字符串进行分割：

cpp 复制代码 
//对字符串进行分割
void Split(char in[])
{
    int i = 0;
    argv[i++] = strtok(in,SEP);//对字符串commandline以空格作为分隔符进行切割，"ls -a -l"
    while(argv[i++] = strtok(NULL,SEP));//进行第二次切割时，strtok第一个参数需要传入NULL。
}


int main()
{
    //1、输出提示符
    printf("[%s@%s %s]$ ",UserName(),HostName(),CurrentWorkDir());

    //2、获取用户输入的命令
    char commandline[SIZE];
    Interactive(commandline,SIZE);
    printf("test:%s\n",commandline);

    //3、对命令行字符串进行切割
    Split(commandline);

    
    return 0;
}

五、执行用户输入的命令

执行命令我们是用程序替换的原理，去执行对应的命令，而程序替换过后，就不会再执行之后的代码，为了避免这一点，所以我们创建子进程取进行程序替换。

cpp 复制代码 
void Execute()
{
    //因为程序替换后，不会在执行之后的代码，所以这里创建子进程去执行最合适
    pid_t id = fork();
    if(id == 0)
    {
        //子进程通过程序替换执行命令
        execvp(argv[0],argv);
        exit(1);
    }
    //父进程进行等待
    pid_t rid = waitpid(id,NULL,0);
    printf("run done,rid: %d\n",rid);
}

int main()
{
    //1、输出提示符
    printf("[%s@%s %s]$ ",UserName(),HostName(),CurrentWorkDir());

    //2、获取用户输入的命令
    char commandline[SIZE];
    Interactive(commandline,SIZE);
    printf("test:%s\n",commandline);

    //3、对命令行字符串进行切割
    Split(commandline);

    //4、执行分割好的命令
    Execute();
    return 0;
}

这样我们就能运行起来单次命令了，所以我们套个while循环，就能循环输入了：

cpp 复制代码 
int main()
{
    while (1)
    {
        // 1、输出提示符
        printf("[%s@%s %s]$ ", UserName(), HostName(), CurrentWorkDir());

        // 2、获取用户输入的命令
        char commandline[SIZE];
        Interactive(commandline, SIZE);
        printf("test:%s\n", commandline);

        // 3、对命令行字符串进行切割
        Split(commandline);

        // 4、执行分割好的命令
        Execute();
    }
    return 0;
}

六、发现cd命令用不了（内建命令）

当我们使用cd命令时，发现没有起作用，比如cd -，没有返回上一次的工作目录：

原因在于：

有些命令不应该让子进程去执行的，而是应该由shell自己去执行，就不如上述的cd命令，这种命令叫内建命令。

所以我们在执行命令之前应该要先处理内建命令

七、处理内建命令cd：

cpp 复制代码 
char* Home()
{
    return getenv("HOME");
}

int BuildinCmd()
{
    int ret = 0;
    //检查是否为内建命令，是 1，否 0
    if(strcmp("cd",argv[0]) == 0)
    {
        //执行
        ret = 1;
        char* target = argv[1];
        if(!target) target = Home();//如果只输入cd，则argv[1]的值为0,则会进入if语句，默认跳转到Home()工作目录
        //通过系统调用chdir，改变当前工作目录
        chdir(target);
        //虽然具体的工作目录变了，但是命令行提示符中工作目录我们没有实时更新，所以还没有变
        //此时需要处理一下,修改PWD环境变量，这样下次循环时，命令行提示符获取的就是当前路径。
        snprintf(pwd,SIZE,"PWD=%s",target);
        putenv(pwd);
    }
    return ret;
}

int main()
{
    while (1)
    {
        // 1、输出提示符
        printf("[%s@%s %s]$ ", UserName(), HostName(), CurrentWorkDir());

        // 2、获取用户输入的命令
        char commandline[SIZE];
        Interactive(commandline, SIZE);

        // 3、对命令行字符串进行切割
        Split(commandline);

        // 4、处理内建命令
        int n = BuildinCmd();
        if(n)continue;
        // 5、执行分割好的命令
        Execute();
    }
    return 0;
}

八、存在一个小问题：

问题如下图：

该现象的原因在于,用户输入指令cd ..后target字符串的内容就变成了".."，后续调用chdir，因为chdir是系统调用，内部是处理了"."和".."的，所以这里会正常执行，但后面调用snprintf函数时，pwd的值就变成了".."，这样putenv改变的环境变量的内容就变成了".."，下次循环命令行提示的地方读取到的环境变量值就为".."。

因为在这之前，我们已经用chdir函数改变了当前工作目录了，所以我们后面使用一个接口叫：getcwd()，该接口返回的就是当前工作目录，用该接口的返回传给getenv，这样环境变量就能正常修改了

cpp 复制代码 
int BuildinCmd()
{
    int ret = 0;
    //检查是否为内建命令，是 1，否 0
    if(strcmp("cd",argv[0]) == 0)
    {
        //执行
        ret = 1;
        char* target = argv[1];
        if(!target) target = Home();//如果只输入cd，则argv[1]的值为0,则会进入if语句，默认跳转到Home()工作目录
        //通过系统调用chdir，改变当前工作目录
        chdir(target);
        char temp[1024];
        getcwd(temp,1024);
        //虽然具体的工作目录变了，但是命令行提示符中工作目录我们没有实时更新，所以还没有变
        //此时需要处理一下,修改PWD环境变量，这样下次循环时，命令行提示符获取的就是当前路径。
        snprintf(pwd,SIZE,"PWD=%s",temp);
        putenv(pwd);
    }
    return ret;
}

八、处理内建命令export

export是用来导入新的环境变量的，也是一个内建命令，因为只有将新环境变量导入给自己，这样才能被子进程继承下去。

直接else if 接着判断即可：

九、获取最近一次进程的退出码

十、处理内建命令echo

cpp 复制代码 
 else if(strcmp("echo",argv[0]) == 0)
    {
        ret = 1;
        if(argv[1] == NULL)
        {
            printf("\n");
        }
        else{
            if(argv[1][0] == '$')//$用于查看环境变量的值
            {
                if(argv[1][1] == '?')//$?:查看进程退出码
                {
                    printf("%d\n",lastcode);
                    lastcode = 0;
                }
                else
                {
                    char* e = getenv(argv[1]+1);//echo $PWD
                    if(e) printf("%s\n",e);
                }
            }
            else{
                //如果不是以$开头，则正常打印内容
                printf("%s\n",argv[1]);
            }
        }
    }

十一、让ls指令输出的内容带上颜色

十二、完整代码

cpp 复制代码 
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/wait.h>

#define SIZE 1024
#define MAX_ARGC 64
#define SEP " "

// 全局进程
char *argv[MAX_ARGC];
//工作目录
char pwd[SIZE];
//环境变量
char env[SIZE];
//进程退出信息
int lastcode = 0;

// 获取主机名
const char *HostName()
{
    char *hostname = getenv("HOSTNAME");
    if (hostname)
        return hostname;
    else
        return "None";
}

// 获取当前登录的用户名
const char *UserName()
{
    char *username = getenv("USER");
    if (username)
        return username;
    else
        return "None";
}

// 获取当前工作目录
const char *CurrentWorkDir()
{
    char *currentworkdir = getenv("PWD");
    if (currentworkdir)
        return currentworkdir;
    else
        return "None";
}

// 获取用户输入的命令
void Interactive(char out[], int size)
{
    fgets(out, SIZE, stdin);     // stdin是标准输入流，意思就是从键盘获取数据保存到commandline中
    out[strlen(out) - 1] = '\0'; // 因为fgets会读取换行符，所以这步我们去掉换行。
}

// 对字符串进行分割
void Split(char in[])
{
    int i = 0;
    argv[i++] = strtok(in, SEP); // 对字符串commandline以空格作为分隔符进行切割，"ls -a -l"
    while (argv[i++] = strtok(NULL, SEP)); // 进行第二次切割时，strtok第一个参数需要传入NULL。并且最后会填入NULL
    if(strcmp(argv[0], "ls") == 0)
    {
        argv[i - 1] = "--color";//即在字符串末尾加上--color选项
        argv[i] = NULL;
    }
}

void Execute()
{
    // 因为程序替换后，不会在执行之后的代码，所以这里创建子进程去执行最合适
    pid_t id = fork();
    if (id == 0)
    {
        // 子进程通过程序替换执行命令
        execvp(argv[0], argv);
        exit(1);
    }
    // 父进程进行等待,并查看退出信息
    int status = 0;
    pid_t rid = waitpid(id, &status, 0);
    if(rid == id)
    {
        //使用宏解析出退出码
        lastcode = WEXITSTATUS(status);
    }
   // printf("run done,rid: %d\n", rid);
}

char* Home()
{
    return getenv("HOME");
}

int BuildinCmd()
{
    int ret = 0;
    //检查是否为内建命令，是 1，否 0
    if(strcmp("cd",argv[0]) == 0)
    {
        //执行
        ret = 1;
        char* target = argv[1];
        if(!target) target = Home();//如果只输入cd，则argv[1]的值为0,则会进入if语句，默认跳转到Home()工作目录
        //通过系统调用chdir，改变当前工作目录
        chdir(target);
        char temp[1024];
        getcwd(temp,1024);
        //虽然具体的工作目录变了，但是命令行提示符中工作目录我们没有实时更新，所以还没有变
        //此时需要处理一下,修改PWD环境变量，这样下次循环时，命令行提示符获取的就是当前路径。
        snprintf(pwd,SIZE,"PWD=%s",temp);
        putenv(pwd);
    }
    else if(strcmp("export",argv[0]) == 0)
    {
        ret = 1;
        if(argv[1])
        {
            strcpy(env,argv[1]);
            putenv(env);
        }
    }
    else if(strcmp("echo",argv[0]) == 0)
    {
        ret = 1;
        if(argv[1] == NULL)
        {
            printf("\n");
        }
        else{
            if(argv[1][0] == '$')//$用于查看环境变量的值
            {
                if(argv[1][1] == '?')//$?:查看进程退出码
                {
                    printf("%d\n",lastcode);
                    lastcode = 0;
                }
                else
                {
                    char* e = getenv(argv[1]+1);//echo $PWD
                    if(e) printf("%s\n",e);
                }
            }
            else{
                //如果不是以$开头，则正常打印内容
                printf("%s\n",argv[1]);
            }
        }
    }
    return ret;
}

int main()
{
    while (1)
    {
        // 1、输出提示符
        printf("[%s@%s %s]$ ", UserName(), HostName(), CurrentWorkDir());

        // 2、获取用户输入的命令
        char commandline[SIZE];
        Interactive(commandline, SIZE);

        // 3、对命令行字符串进行切割
        Split(commandline);

        // 4、处理内建命令
        int n = BuildinCmd();
        if(n)continue;
        // 5、执行分割好的命令
        Execute();
    }
    return 0;
}
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