C语言模拟实现Liunx操作系统与用户之间的桥梁shell（代码详解）

什么是shell？

Shell（壳）是指命令行界面（CLI）或脚本语言，它为用户提供了与操作系统交互的方式。它是一个程序，从用户那里接收命令，并通过与操作系统内核交互来执行这些命令。Shell充当用户和操作系统之间的中介，允许用户执行各种任务，运行程序，操作文件和目录，并通过脚本实现任务自动化。

在Xshell上使用一下shell

在使用Shell时，您在Shell提示符中键入命令，Shell执行这些命令并返回输出。
下图中红圈中的字符串都是linux系统通过shell来执行的一些命令
在这里插入图片描述

模拟实现shell

思路

主要的程序逻辑就是在main()函数中。通过一个无限循环，不断等待用户输入命令并执行。

  • getUserCommand()获取用户输入的命令字符串。
  • commandSplit()将命令字符串按照分隔符分割成参数列表。
  • doBuildin()检查是否为内建命令，如果是，则执行相应的操作。
    如果不是内建命令，则调用execute()函数执行命令。
  • execute()函数使用fork()创建子进程，在子进程中调用execvp()函数执行命令，父进程等待子进程执行完毕。

这样，代码就完成了一个简单的Shell程序，能够处理用户输入的命令，并执行相应的操作。

代码实现

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

#define NUM 1024
#define SIZE 64
#define SEP " "


char usercommand[NUM];
char cwd[1024];
char enval[100][100];//测试
int count_enval=0;
int lastcode;


const char *getUsername()
{
        const char *name = getenv("USER");
            if(name) return name;
                else return "none";

}
const char *getHostname()
{
        const char *hostname = getenv("HOSTNAME");
            if(hostname) return hostname;
                else return "none";

}
const char *getCwd()
{
        const char *cwd = getenv("PWD");
           if(cwd) return cwd;
                else return "none";

}

//打印命令行提示符，获取用户命令字符串
int getUserCommand(char *command, int num)
{
    printf("[%s@%s %s]# ", getUsername(), getHostname(), getCwd());
    char *r = fgets(command, num, stdin); // 最终你还是会输入\n
    if(r == NULL) return -1;
    // "abcd\n" "\n"
    command[strlen(command) - 1] = '\0'; // 有没有可能越界？不会
    return strlen(command);
}

//分割字符串
void commandSplit(char *in,char **out)
{
    int argc=0; 
    out[argc++]=strtok(in,SEP);
    while(out[argc++]=strtok(NULL,SEP));

    //for (int i=0;out[i];i++)
    //{
    //    printf("%d:%s\n",i,out[i]);
    //}
}


int execute(char *argv[])
{

         pid_t id=fork();

         if(id<0)
         {
             return -1;
         }
         if(id==0)
         {
             execvp(argv[0],argv);
             exit(1);
         }
         else
         {
             int status=0;
             pid_t rid=waitpid(-1,&status,0);
             if(rid>0)
             {
                 lastcode=WEXITSTATUS(status);
             }
         }
         return 0;
}

void cd(const char* path )
{
    chdir(path);
    char tmp[1024];
    getcwd(tmp,sizeof(tmp));
    sprintf(cwd,"PWD=%s",tmp);
    putenv(cwd);
    
}


//内键情况
int doBuildin(char *argv[])
{
   if(strcmp(argv[0],"cd")==0)
   {
       char * path=NULL;
       if(argv[1]==NULL)
       {
           path=".";
       }
       else  path=argv[1];
       cd(path);
       return 1;
   }
   else if(strcmp(argv[0],"exprot")==0)
   {
       if(argv==NULL)return 1;
       strcpy(enval[count_enval],argv[1]);
       putenv(enval[count_enval]);
       count_enval++;
       return 1;
   }
   else if(strcmp(argv[0],"echo")==0)
   {
       char *val =argv[1]+1;
       if(strcmp(val,"?")==0)
       {
           printf("%d\n",lastcode);
           lastcode=0;
       }
       else
       {
           printf("%s\n",getenv(val));
       }
       return 1;
   }
   return 0;
}



int main()
{
    while(1)
    {
		 char *argv[SIZE];
         //1.打印命令行提示符，获取用户命令字符串
         int n=getUserCommand(usercommand,sizeof(usercommand));
         if(n<0)continue;
         //2.分割字符串
         commandSplit(usercommand,argv);
        //3. 内键情况（cd,exprot...）
         n=doBuildin(argv);
         if(n) continue;
         //4.执行对应的命令
         execute(argv);
    }
    return 0;
}

运行结果：

在这里插入图片描述
在这里插入图片描述

代码讲解

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/wait.h>
这些头文件包含了在程序中使用的各种函数和类型的声明。

定义常量和全局变量：

#define NUM 1024
#define SIZE 64
#define SEP " "
char usercommand[NUM];
char cwd[1024];
char enval[100][100];//测试
int count_enval=0;
int lastcode;

stdio.h、stdlib.h、string.h、unistd.h、sys/types.h、sys/wait.h：包含了一些标准库函数和系统调用的声明。
NUM和SIZE：定义了一些常量，用于数组的大小。
SEP：定义了命令参数的分隔符。
usercommand[NUM]：存储用户输入的命令字符串。
cwd[1024]：存储当前工作目录的路径。
enval[100][100]：存储环境变量的字符串数组。
count_enval：环境变量计数器。
lastcode：上一个命令的退出状态码。

  • getUsername(), getHostname(), getCwd(): 这些函数用于获取当前用户名、主机名和工作目录。
  • getUserCommand(char *command, int num): 这个函数用于获取用户输入的命令，并返回命令的长度。
  • commandSplit(char *in, char *out[]): 这个函数将输入的命令字符串按照分隔符分割成一个个参数，存储在out数组中。
  • execute(char *argv[]): 这个函数使用fork()创建子进程，并在子进程中执行命令。
  • cd(const char *path): 这个函数用于实现cd命令，改变当前工作目录。
  • doBuildin(char *argv[]): 这个函数用于执行内建命令（如cd、export、echo）。

下面是对每一个函数的详细解释：

getUsername()

const char *getUsername()
{
    const char *name = getenv("USER");
    if (name)
        return name;
    else
        return "none";
}

该函数用于获取当前用户名。它通过调用getenv()函数获取环境变量"USER"的值，并返回该值作为用户名。如果环境变量不存在，则返回字符串"none"。

getHostname()

const char *getHostname()
{
    const char *hostname = getenv("HOSTNAME");
    if (hostname)
        return hostname;
    else
        return "none";
}

该函数用于获取当前主机名。它通过调用getenv()函数获取环境变量"HOSTNAME"的值，并返回该值作为主机名。如果环境变量不存在，则返回字符串"none"。

getCwd()

const char *getCwd()
{
    const char *cwd = getenv("PWD");
    if (cwd)
        return cwd;
    else
        return "none";
}

该函数用于获取当前工作目录。它通过调用getenv()函数获取环境变量"PWD"的值，并返回该值作为工作目录。如果环境变量不存在，则返回字符串"none"。

getUserCommand(char *command, int num)

int getUserCommand(char *command, int num)
{
    printf("[%s@%s %s]# ", getUsername(), getHostname(), getCwd());
    char *r = fgets(command, num, stdin);
    if (r == NULL)
        return -1;
    command[strlen(command) - 1] = '\0';
    return strlen(command);
}

该函数用于获取用户输入的命令。它首先打印出类似"[username@hostname cwd]#"的提示符，然后使用fgets()函数从标准输入中读取用户输入的命令字符串。读取成功后，函数会去掉字符串末尾的换行符，并返回命令的长度。如果读取失败，函数返回-1。

commandSplit(char *in, char *out[])

void commandSplit(char *in, char *out[])
{
    int argc = 0;
    out[argc++] = strtok(in, SEP);
    while (out[argc++] = strtok(NULL, SEP));
}

该函数将输入的命令字符串按照分隔符进行分割，并将分割得到的参数存储在out数组中。分割过程使用strtok()函数，第一次调用时传入原始字符串和分隔符，后续调用传入NULL和分隔符。分割完成后，out数组中存储了每个参数的地址。函数没有返回值，通过参数传递分割得到的参数列表。

execute(char *argv[])

int execute(char *argv[])
{
    pid_t id = fork();
    if (id < 0)
        return -1;
    else if (id == 0) // child
    {
        execvp(argv[0], argv);
        exit(1);
    }
    else // father
    {
        int status = 0;
        pid_t rid = waitpid(id, &status, 0);
        if (rid > 0)
        {
            lastcode = WEXITSTATUS(status);
        }
    }
    return 0;
}

该函数用于执行命令。它首先调用fork()函数创建一个子进程，然后在子进程中调用execvp()函数执行指定的命令。如果fork()失败，函数返回-1。如果是子进程，调用execvp()执行命令，并在执行完毕后调用exit(1)退出子进程。如果是父进程，使用waitpid()函数等待子进程的结束，并获取子进程的退出状态码。最后，将子进程的退出码存储在lastcode变量中。

cd(const char* path )

void cd(const char* path )
{
    chdir(path);
    char tmp[1024];
    getcwd(tmp,sizeof(tmp));
    sprintf(cwd,"PWD=%s",tmp);
    putenv(cwd);
}

调用chdir()函数改变当前工作目录为传入的路径。
使用getcwd()函数获取当前工作目录的路径，并存储在临时数组tmp中。
使用sprintf()函数将路径格式化为"PWD=路径"的形式，并存储在cwd字符串中。
使用putenv()函数将cwd设置为环境变量。

doBuildin(char *argv[])

//内键情况
int doBuildin(char *argv[])
{
   if(strcmp(argv[0],"cd")==0)
   {
       char * path=NULL;
       if(argv[1]==NULL)
       {
           path=".";
       }
       else  path=argv[1];
       cd(path);
       return 1;
   }
   else if(strcmp(argv[0],"exprot")==0)
   {
       if(argv==NULL)return 1;
       strcpy(enval[count_enval],argv[1]);
       putenv(enval[count_enval]);
       count_enval++;
       return 1;
   }
   else if(strcmp(argv[0],"echo")==0)
   {
       char *val =argv[1]+1;
       if(strcmp(val,"?")==0)
       {
           printf("%d\n",lastcode);
           lastcode=0;
       }
       else
       {
           printf("%s\n",getenv(val));
       }
       return 1;
   }
   return 0;
}

根据传入的参数数组argv[]判断是否是内键命令。
如果是cd命令，判断是否提供了路径参数，如果没有，则将路径设置为当前目录；否则，使用cd()函数切换到指定路径。
如果是export命令，判断是否提供了参数，如果没有，则返回；否则，将参数复制到enval数组中，并使用putenv()函数将其设置为环境变量，同时递增count_enval计数器。
如果是echo命令，从参数中提取变量名，并判断变量名是否为"?"，如果是，则打印上一个命令的退出状态码；否则，使用getenv()函数获取指定变量的值，并打印出来。
如果是以上内键命令之一，返回1；否则，返回0。


int main()
{
    while(1)
    {
		 char *argv[SIZE];
         //1.打印命令行提示符，获取用户命令字符串
         int n=getUserCommand(usercommand,sizeof(usercommand));
         if(n<0)continue;
         //2.分割字符串
         commandSplit(usercommand,argv);
        //3. 内键情况（cd,exprot...）
         n=doBuildin(argv);
         if(n) continue;
         //4.执行对应的命令
         execute(argv);
    }
    return 0;
}

main()函数：
进入一个无限循环，用于不断接收用户的命令并执行。
定义参数数组argv[SIZE]。
调用getUserCommand()函数获取用户命令字符串。
如果获取失败，则继续下一次循环。
调用commandSplit()函数将命令字符串分割为参数数组argv[]。
调用doBuildin()函数判断是否是内建命令并执行。
如果是内键命令，则继续下一次循环。
调用execute()函数执行命令。
返回0，结束程序运行。

总结

代码实现了一个简单的交互式shell，能够解析用户输入的命令并执行相应的操作。内键命令包括cd切换目录，export设置环境变量，echo打印变量值。其他命令会通过fork()创建子进程并调用execvp()执行外部命令。

（本章完）

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