Linux系统编程系列之模拟shell

CAU界编程小白2026-01-02 8:04

前言

模拟Shell可以综合前面的知识，fork、环境变量、程序替换、进程等待、终止、内建命令等等，是一次很好的复习

一、原理

我们进行登录启动shell服务的时候，系统启动了一个bash进程，bash本身的环境变量是哪里来的？用户目录下存在.bash_profile这个配置文件！里面保存了导入环境变量的方法！

二、模拟的流程

1.模拟交互环境

用户名、主机名、工作目录都在环境变量中

可以用printf来控制格式了！

2.输入命令

本质上输入的是一个字符串，且这个服务应该一直在执行，while(1) {}

如果输入的是空串，不做处理，和shell中一样，如果收到了字符串，对字符串作分割 + 解析，如果是内建命令，使用内建命令的处理方式，如果是普通命令，就应该fork + exec系列函数！注意还有进程等待的问题。

当然，实际写代码的时候可能还会有一些问题，后面边写边解决。不推荐使用string类型，当然也可以就是非常麻烦，我这里是string和char*一起用的，也会讲纯char *的写法。

三、代码

交互环境

cpp 复制代码 
string Pwd;
const char *getusername()
{
  return getenv("USER");
}
const char *gethostname()
{
  return getenv("HOSTNAME");
}
void getpwd()
{
  char buff[1024];
  getcwd(buff,sizeof(buff));
  string pwd = buff;
  size_t pos = pwd.size() - 1;
  while (pwd[pos--] != '/') ;
  pos += 2;
  pwd = pwd.substr(pos);
  if (pwd == "root" || pwd == "caugyj")
  {
    Pwd = "~";
    return ;
  }
  Pwd = pwd;
}
void Print()
{
  getpwd();
  char Lable = (getusername() == "root" ? '#' : '$');
  printf(LEFT "%s@%s %s" RIGHT "%c"
              " "
              "(模拟)",
         getusername(), gethostname(), Pwd.c_str(), Lable);
}
string cmdline;
void Interact()
{
  Print();
  getline(cin, cmdline);
  while (cmdline.size() == 0)
  {
    Print();
    getline(cin, cmdline);
  }
}

这里简单提一下几个点:

1.printf("hello" "world")这种写法会被合并成printf("helloworld");

2.getpwd函数就是对环境变量ENV作逆序寻找路径分隔符，一定找得到，截取即可。这里存放了一个全局变量pwd，也可以用返回值。

getusername等函数就是简单封装了getenv

3.当用户不输入字符按Enter时，再次提供交互环境，知道输入了字符为止。

4.如果使用char*类型，可以用fgets

5.root身份下右括号坐标的符号是#号，而普通用户是$,在用户的目录下，显示的是~，对应cd ~的功能

命令分割

读取到一个完整的命令之后，比如ls -a -l，当然要进行分割，识别出ls，和-a,-l选项，能够放入exec系列函数

当然，分割有很多方式，如果是string可以自己手写或者使用stringstream,这里需要考虑一下如果是string类型的数组/vector是不方便进行exec系列函数的使用的!要么开一个char*的数组拷贝进去，要么就换成char *的

使用vector< string>手动分割

cpp 复制代码 
vector<string> tmp;
char* argv[1024];
void split()
{
  string s;
  for(size_t i = 0;i < cmdline.size();++i)
  {
    if(cmdline[i] == ' ')
    {
        if(s.size())
        {
         tmp.push_back(s);
          s.clear();
        }   
    }
    else s += cmdline[i];
   }
  if(s.size()) tmp.push_back(s);

     for(size_t i = 0; i < tmp.size();++i)
     {
       argv[i] = new char[tmp[i].size() + 1];
       strcpy(argv[i],tmp[i].c_str());
       argv[i][tmp[i].size()] = '\0';
     } 
     argv[tmp.size()] = nullptr;
}

使用istringstream / stringstream

cpp 复制代码 
  string s;
  istringstream sin(cmdline);
  while (sin >> s)
  {
    tmp.push_back(s);
  }
  for (size_t i = 0; i < tmp.size(); ++i)
  {
    argv[i] = new char[tmp[i].size() + 1];
    strcpy(argv[i], tmp[i].c_str());
    argv[i][tmp[i].size()] = '\0';
  }
  argv[tmp.size()] = nullptr;

使用strtok函数---C语言字符串分割函数

使用注意事项：

char *strtok(char *str, const char *delim);

调一次只会截出来一个字串,必须循环调用

且第一次调用用str,之后调用第一个参数都为NULL

strtok会修改原字符串

cpp 复制代码 
  string s;
  int i = 0;
  char* cmd = const_cast<char*>(cmdline.c_str());
  argv[i++] = strtok(cmd," ");
  while(argv[i++] = strtok(nullptr," "));

当然，你如果一路都用char*会方便不少。

处理命令

当然要先判断是不是内建命令，不是就去执行正常命令的逻辑，先写正常命令的逻辑，方便一点。提一点注意事项，bash中可以用echo $?来获取上一次退出码，这里怎么实现？定义一个全局变量即可，每次进程等待时让这个全局变量等于WEXITSTATUS(st)即可。

cpp 复制代码 
int lastcode = 0;
void NormalCommand()
{
   pid_t id = fork(); 
   if(id < 0)
   {
     perror("fork");
     return ;
   }
   else if(id == 0)
   {
     //子进程执行命令     
     execvpe(argv[0],argv,environ);
   }
   else 
   {
     int status = 0;
     pid_t ret = waitpid(id,&status,0);
     if(ret == id)
     {
        lastcode = WEXITSTATUS(status); 
     }
   }

}

可以实验一下，另外输入ls -a -l不带颜色，是因为bash中重命名了,命令分割中额外判断一下就可以。

cpp 复制代码 
char *argv[1024];
vector<string> tmp;
void split()
{
  string s;
  istringstream sin(cmdline);
  while (sin >> s)
  {
    tmp.push_back(s);
  }
  for (size_t i = 0; i < tmp.size(); ++i)
  {
    argv[i] = new char[tmp[i].size() + 1];
    strcpy(argv[i], tmp[i].c_str());
    argv[i][tmp[i].size()] = '\0';
  }
  argv[tmp.size()] = nullptr;

  int pos = tmp.size();
  if(tmp[0] == "ls") 
  {
     argv[pos++] = const_cast<char*>("--color=auto");
  }
  argv[pos] = nullptr;
}

另外发现了一个很恶心的问题，还是不要string和char* 混用了，一律char*用到底，否则可能会出现argv[0]没有'\0'的问题,我这么写也可以，但是不推荐。

内建命令

1.cd

如何判断是不是内建命令？---直接判断 if(strcmp(cd,argv[0])) ...

比如cd，怎么写？？需要修改路径--chdir函数

chdir本质是告诉内核修改task_struct中的数据，环境变量中没有改变，所以还需要修改环境变量！两种方式修改,第一种方式是把Pwd写道getenv的指针中，这里返回值竟然不是const char*，说明存放的就是指针，第二种方式是设置，1表示覆盖。其实也需要修改OLDPWD，可以自行修改

cpp 复制代码 
sprintf(getenv("PWD"),"%s",Pwd);
setenv("PWD",Pwd,1);

完整：

cpp 复制代码 
if(tmp.size() == 2 && tmp[0] == "cd")
  {
    chdir(argv[1]);
    getpwd();
    sprintf(getenv("PWD"),"%s",Pwd.c_str());
    //setenv("PWD",Pwd.c_str(),1);
    return 1;
  }

2.export

这里再说一下export的问题，export也是内建命令，很多人可能会直接这么写

putenv(argv[1]),发现export之后，输入env，显示出来的是env？？为什么呢？？原因：

char* env[]表里面没有字符串,存放的都是指针!

导环境变量,不是将字符串拷贝进去！而是指针指向过去，也就是说上面那种写法，打印环境变量就从argv[1]里面去取。

如果用的是putenv(tmp[i])，下一次输出环境变量的时候这块指向的内容早就改变了! 对应env

这就解释了全局变量不会出错的问题!因为它不会改变指向！

这是一个进程！while循环不断输入输出，完美的解释了上面的错误原因！

就需要额外开一个空间来存放导入的环境变量。如果想再完善，可以自行多次export的逻辑，就是在env后面加上换行再加上其他字符串

cpp 复制代码 
else if(tmp.size() == 2 && tmp[0] == "export")
  {
     strcpy(env,argv[1]);
     putenv(env);
     return 1;
  }

3.echo

分三类即可，如果是echo ?，就打印lastcode，如果有 ,就打印环境变量的内容，没有就打印本身

cpp 复制代码 
else if(tmp.size() == 2 && tmp[0] == "echo")
  {
    if(tmp[1] == "$?")
    {
      printf("%d\n",lastcode);
      lastcode = 0;
    }
    else if(tmp[1][0] == '$')
    {
      printf("%s\n",getenv(tmp[1].substr(1).c_str()));
    }
    else
    {
      printf("%s\n",tmp[1].c_str());
    }
     return 1;
  }

还有其他的可以自行完善

清理

如果纯用char*当然不用清理，但是我这种写法每次结束后需要释放空间，还等把tmp置空。

cpp 复制代码 
void DEL()
{
   for(size_t i = 0; i < tmp.size();++i)
   {
     delete[] argv[i];
   }
   tmp.clear();
}

管道

比如ps ajx | grep main这种，这里管道还没有学，大致说一下思路：

1.分析输入的命令行字符串,获取有多少个|,打散多个字符串

2.malloc申请空间,pipe先申请多个管道

3.循环创建多个子进程,每一个子进程的重定向情况,最开始,输出重定向,1->指定的一个管道。

中间:输入输出重定向,0标准输入到上一个的读,1标准输出重定向到下一个管道的写端

最后一个输入重定向,将标准输入重定向到最后一个管道的读端

4.分别让不同的子进程执行不同的命令,exec*不会影响该进程打开的文件

不会影响预先设置好的重定向

在进程间通信那章完善。

四、完整代码

cpp 复制代码 
#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>
#include <bits/stdc++.h>
#include <string>
#include <algorithm>
#include <sys/wait.h>
using namespace std;
#define LEFT "["
#define RIGHT "]"
#define LABLE "$"
string Pwd;
const char *getusername()
{
  return getenv("USER");
}
const char *gethostname()
{
  return getenv("HOSTNAME");
}
void getpwd()
{
  char buff[1024];
  getcwd(buff,sizeof(buff));
  string pwd = buff;
  size_t pos = pwd.size() - 1;
  while (pwd[pos--] != '/') ;
  pos += 2;
  pwd = pwd.substr(pos);
  if (pwd == "root" || pwd == "caugyj")
  {
    Pwd = "~";
    return ;
  }
  Pwd = pwd;
}
void Print()
{
  getpwd();
  char Lable = (getusername() == "root" ? '#' : '$');
  printf(LEFT "%s@%s %s" RIGHT "%c"
              " "
              "(模拟)",
         getusername(), gethostname(), Pwd.c_str(), Lable);
}
string cmdline;
void Interact()
{
  Print();
  getline(cin, cmdline);
  while (cmdline.size() == 0)
  {
    Print();
    getline(cin, cmdline);
  }
}
char *argv[1024];
vector<string> tmp;
void split()
{
  string s;
  istringstream sin(cmdline);
  while (sin >> s)
  {
    tmp.push_back(s);
  }
  for (size_t i = 0; i < tmp.size(); ++i)
  {
    argv[i] = new char[tmp[i].size() + 1];
    strcpy(argv[i], tmp[i].c_str());
    argv[i][tmp[i].size()] = '\0';
  }
  argv[tmp.size()] = nullptr;

  int pos = tmp.size();
  if(tmp[0] == "ls") 
  {
     argv[pos++] = const_cast<char*>("--color=auto");
  }
  argv[pos] = nullptr;
}
extern char **environ;
int lastcode = 0;
void NormalCommand()
{
  pid_t id = fork();
  if (id < 0)
  {
    perror("fork");
    return;
  }
  else if (id == 0)
  {
    // 子进程执行命令
    execvpe(argv[0], argv, environ);
  }
  else
  {
    int status = 0;
    pid_t ret = waitpid(id, &status, 0);
    if (ret == id)
    {
      lastcode = WEXITSTATUS(status);
    }
  }
}
char env[1024];
int Build_in_Command()
{ 
  if(tmp.size() == 2 && tmp[0] == "cd")
  {
    chdir(argv[1]);
    getpwd();
    sprintf(getenv("PWD"),"%s",Pwd.c_str());
    //setenv("PWD",Pwd.c_str(),1);
    return 1;
  }
 else if(tmp.size() == 2 && tmp[0] == "export")
  {
     strcpy(env,argv[1]);
     putenv(env);
     return 1;
  }
  else if(tmp.size() == 2 && tmp[0] == "echo")
  {
    if(tmp[1] == "$?")
    {
      printf("%d\n",lastcode);
      lastcode = 0;
    }
    else if(tmp[1][0] == '$')
    {
      printf("%s\n",getenv(tmp[1].substr(1).c_str()));
    }
    else
    {
      printf("%s\n",tmp[1].c_str());
    }
     return 1;
  }
  return 0;
}
void DEL()
{
   for(size_t i = 0; i < tmp.size();++i)
   {
     delete[] argv[i];
   }
   tmp.clear();
}
int main()
{
  while (1)
  {
    Interact();
    split();
    int r = Build_in_Command();
    if(r == 0) NormalCommand();

    DEL();
  }

  return 0;
}

注意

从写代码的复杂程序和空间上还是建议全部用char*,这样可以少开一个数组，并且也不需要手动new和delete，我写string是因为写习惯了，强烈建议全程使用char*，我也写了char*的怎么写。

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