引言
Shell是每个开发者或系统管理员日常工作中不可或缺的工具。但你是否曾好奇过，当你输入一个命令（如ls或ps）后，Shell背后到底发生了什么？本文将带你从进程控制的基础知识出发，一步步揭开Shell的神秘面纱，并最终实现一个自主的微型Shell。
一、Shell的运行原理
Shell的核心工作流程可以概括为以下几步：
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显示命令提示符：等待用户输入命令。
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读取用户输入：获取用户在终端输入的命令字符串。
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解析命令：将命令字符串拆分为命令名和参数。
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创建子进程 ：使用
fork()系统调用创建子进程。 -
执行命令 ：在子进程中通过
execvp()等函数加载并执行目标程序。 -
等待子进程结束 ：父进程（Shell）通过
waitpid()等待子进程退出，并获取其退出状态。
关键点：Shell本身不执行命令（除内建命令外），而是通过创建子进程来执行。这保证了Shell进程的稳定性。
二、进程控制基础
1. 进程创建：fork()
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fork()会创建一个与父进程几乎完全相同的子进程。 -
子进程从
fork()调用后的代码开始执行。 -
写时拷贝技术：父子进程共享数据，直到一方尝试修改数据时，系统才会为子进程创建副本，从而提高内存使用效率。
2. 进程终止
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正常退出：
return、exit()、_exit()。 -
异常退出：如通过信号终止（
Ctrl+C对应SIGINT）。 -
退出码 ：通过
$?可以查看上一个命令的退出状态，0表示成功，非0表示错误。
3. 进程等待：wait()与waitpid()
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防止僵尸进程：父进程需要通过等待子进程退出，来回收其资源。
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waitpid()支持非阻塞模式（WNOHANG），允许Shell在等待子进程的同时执行其他任务。
4. 进程程序替换：exec函数族
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exec函数会替换当前进程的代码和数据，加载新的程序执行。 -
常见函数包括
execl、execv、execvp等，区别在于参数传递方式（列表 vs. 数组）是否自动搜索PATH。
三、实现一个微型Shell
以下是一个简化版的Shell实现代码，展示了如何将上述概念整合在一起：
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/wait.h>
#define MAX_ARGS 64
char* g_argv[MAX_ARGS]; // 全局参数数组
int g_argc = 0; // 参数个数
// 解析用户输入的命令
void parse_command(char* cmd) {
g_argc = 0;
char* token = strtok(cmd, " ");
while (token != NULL && g_argc < MAX_ARGS - 1) {
g_argv[g_argc++] = token;
token = strtok(NULL, " ");
}
g_argv[g_argc] = NULL; // 参数数组必须以NULL结尾
}
// 执行内建命令（如cd、exit）
int execute_builtin() {
if (strcmp(g_argv[0], "cd") == 0) {
if (g_argc == 2) {
chdir(g_argv[1]); // 切换工作目录
}
return 1; // 表示是内建命令，已处理
}
return 0; // 不是内建命令
}
// 执行外部命令
void execute_external() {
pid_t pid = fork();
if (pid == 0) {
// 子进程：执行命令
execvp(g_argv[0], g_argv);
perror("execvp failed"); // 如果execvp失败
exit(1);
} else if (pid > 0) {
// 父进程：等待子进程结束
waitpid(pid, NULL, 0);
} else {
perror("fork failed");
}
}
int main() {
char cmd[256];
while (1) {
printf("myshell> ");
fflush(stdout);
if (fgets(cmd, sizeof(cmd), stdin) == NULL) {
break; // 读取失败或EOF退出
}
cmd[strcspn(cmd, "\n")] = '\0'; // 去除换行符
if (strlen(cmd) == 0) {
continue; // 空输入跳过
}
parse_command(cmd);
if (g_argc == 0) {
continue;
}
// 处理内建命令
if (execute_builtin()) {
continue;
}
// 处理外部命令
execute_external();
}
return 0;
}功能说明：
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内建命令 ：如
cd命令必须由Shell自身执行，因为子进程改变目录不会影响父进程。 -
外部命令 ：如
ls、ps等，通过fork()+execvp()在子进程中执行。 -
命令解析 ：将用户输入拆分为命令和参数，构建
execvp所需的参数数组。
四、进一步探索
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环境变量处理 ：Shell需要维护环境变量（如
PATH），并通过exec函数传递给子进程。 -
信号处理 ：如
Ctrl+C（SIGINT）应终止前台进程，而不影响Shell本身。 -
管道和重定向 ：支持
|、>、<等高级功能，需要更复杂的解析和处理。
结语
通过实现一个简单的Shell，我们不仅加深了对进程控制（fork、exec、wait）的理解，也直观感受到了Shell的工作原理。虽然这个微型Shell功能有限，但它揭示了操作系统与用户交互的核心机制。
下一步：尝试为你的Shell添加更多功能，如管道、重定向、后台运行等，逐步打造一个功能完整的Shell！