Linux——shell程序的简单实现

shell程序的简单实现

本章思维导图：

在这里插入图片描述注：本章思维导图对应的.xmind和.png文件都已同步导入至资源，可免费查阅

在学习完有关进程的知识后，我们就可以开始尝试自己实现一个简单的shell程序了。

注：在编写简单的shell程序之前，你首先需要掌握：

👉进程控制

👉环境变量

👉进程替换

1. 实现交互 interact()

首先，和真正的shell程序一样，我们启动程序，shell就会打印出命令行提示符，并等待用户的输入：

在这里插入图片描述

因此，我们首先要做的，就是要正确打印出命令行提示符，并等待接收用户输入的命令。

注：

命令行提示符的基本格式为：[用户名@主机名 当前路径]&

  • 需要注意，如果当前用户为root 用户，那么&就应该变为#

那么，我们该如何获取我们需要的有用户名、主机名和路径信息呢？答案便是通过环境变量来获取

  • 环境变量USER记录了当前的用户信息
  • 环境变量HOSTNAME记录了当前的主机信息
  • 环境变量PWD记录了当前的路径信息

可以利用系统调用getenv()来获取对应的信息，并进行打印

等待并接受用户的输入这一操作十分简单，定义一个字符数组，并用函数fgets()进行接收即可。

这样，我们就实现了第一部分的功能：

//形参out为一个输出型参数，用于接收用户输入的命令
void interact(char* out)
{
  printf("[%s@%s %s]$ ", getenv("USER"), getenv("HOSTNAME"), getenv("PWD"));
    
  fgets(out, SIZE, stdin);
  out[strlen(out) - 1] = '\0';	//fgets()会将用户输入的换行符读入，因此要将这个符号去除
}

2. 分割命令 split()

在进程替换一节中我们提到，如果要将当前的进程替换为另一个程序，那么就需要使用exec系列函数来进行进程程序替换：

int execl(const char *path, const char *arg, ...);
int execlp(const char *file, const char *arg, ...);
int execle(const char *path, const char *arg, ..., char * const envp[]);

int execv(const char *path, char *const argv[]);
int execvp(const char *file, char *const argv[]);
int execvpe(const char *file, char *const argv[], char *const envp[]);

  • 命令参数要么以参数列表的形式arg, ...传入，要么以字符串数组argv的方式传入

  • 但是我们在第一步interact()的过程中只接受了用户的一长串命令，这并不能直接作为参数传入程序替换函数中

  • 因此，我们就需要对之前输入的字符串以空格‘ ’为分隔符进行分割

如何分割？——可以用库函数strtok解决

char * strtok ( char * str, const char * delimiters );
  • delimiters即分割符
  • 返回值即为被分割的字符串，分割结束返回NULL
  • 关于参数str，当要对用一个字符串多次调用时：
    • 第一次调用时，即为要被分割字符串str
    • 之后的所有调用，参数str都为NULL

如此，我们便可以实现功能分割功能了：

//参数command为用户输入的命令
//参数out为输出型参数，用于存储被分割的字符串集合
void split(char* command, char** out)
{
  int i = 0;
  out[i++] = strtok(command, " ");
  while (out[i++] = strtok(NULL, " "));
}

3. 执行命令

获得了正确的命令参数后，我们就可以开始程序替换了。

但是应该注意，如果程序替换成功，那么原程序之后的所有代码便都不会再执行了。

因此，为了确保shell能够一直处理用户输入的命令，我们应该创建一个子进程来进行进程程序替换

我们可以很容易的写出这样的代码：

//参数argv即为存储命令字符串的数组
void execute(char** argv)
{
    //创建子进程
    pid_t pid = fork();
    if (pid == 0)
    {
      //子进程进行进程程序替换
      execvp(argv[0], argv);
      exit(1);
    }
	
    //子进程退出后父进程进行等待，并获取子进程的退出码
    int status;
    pid_t rid = waitpid(pid, &status, 0);
    EXIT = WEXITSTATUS(status);
}

我们再对上面两部分代码进行整合，就可以得到我们shell的简单版本了：

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

#define SIZE 1024
#define ARGC 64

int EXIT = 0;	//进程退出码

void interact(char* out)
{
  printf("[%s@%s %s]$ ", getenv("USER"), getenv("HOSTNAME"), getenv("PWD"));
  fgets(out, SIZE, stdin);
  out[strlen(out) - 1] = '\0';
}

void split(char* command, char** out)
{
  int i = 0;
  out[i++] = strtok(command, " ");
  while (out[i++] = strtok(NULL, " "));
}

void execute(char** argv)
{
    pid_t pid = fork();
    if (pid == 0)
    {
      execvp(argv[0], argv);
      exit(1);
    }

    int status;
    pid_t rid = waitpid(pid, &status, 0);
    EXIT = WEXITSTATUS(status);
}

int main()
{
  while(1)
  {
    //获取命令行参数
    char command[SIZE] = {0};
    interact(command);
    if (strlen(command) == 0)
      continue;

    //将命令行拆分成多个字符串
    char* argv[ARGC];
    split(command, argv);
    
   
    execute(argv);
  }

  return 0;
}

我么可以执行来看看：

在这里插入图片描述

可以发现我们执行cat、ls、clear这些命令的时候没有出现问题，但是当我们执行cd、echo、export这些命令的时候，却得不到正确的结果。这是为什么？

  • 应该清楚，我们是用子进程进行的进程替换，子进程执行完后便会退出终止。
  • 因此，子进程的改变不会影响到父进程，即不会影响到shell进程
  • 例如我们使用cd命令修改当前路径，我们修改的只是子进程的路径，而其父进程shell并未受任何影响
  • 同样，对于export，我们只是对子进程添加了环境变量，父进程的环境变量同样不会改变

所以，当遇到类似cd这种命令时，我们要对其进行特殊处理

3.1 执行内建命令

在Linux中，诸如echo、cd、export这样的命令我们称其为内建命令

我们可以利用枚举的方法来对内建命令进行处理

//参数argv即为命令字符串集合
//返回值如果为0，说明不是内建命令；如果是1，说明是内建命令
int buildCommand(char** argv)
{
  int ret = 0;
    
  //处理“cd”
  if (strcmp(argv[0], "cd") == 0)
  {
    ret = 1;
    char* path = argv[1];	//命令cd后面跟的就是新的路径
    char put[SIZE];
    char absolutePath[SIZE];

    if (path == NULL)
      path = getenv("HOME");
    
    chdir(path);
    getcwd(absolutePath, SIZE);	//将新路径存入字符数组absolutePath
    
    snprintf(put, SIZE, "%s%s", "PWD=", absolutePath);	//修改环境变量PWD
    putenv(put);
  }
  //处理”export“
  else if (strcmp(argv[0], "export") == 0)
  {
    ret = 1;
    char env[SIZE];
    if (argv[1])
    {
      strcpy(env, argv[1]);
      putenv(env);
    }
      
    /*
    一定不能直接写成：putenv(argv[1]);
    否则当输入新的命令时，argv[1]的值就会改变，环境变量也会跟着变
    */
  }
  //处理“echo”
  else if (strcmp(argv[0], "echo") == 0)
  {
    ret = 1;
    if (argv[1] == NULL)
      printf("\n");
    else
    {  
      if (argv[1][0] == '$')
      {
        //"echo $?"即输出最近一个进程的退出码
        if (argv[1][1] == '?')
        {
          printf("%d\n", EXIT);
          EXIT = 0;
        }
        //否则输出对应的环境变量
        else 
        {
          char* env = getenv(argv[1] + 1);
          if (env == NULL)
            printf("\n");
          else 
            printf("%s\n", env);
        }
      } 
      //否则为向屏幕输出字符串
      else 
        printf("%s\n", argv[1]);                    
     }
  }
    
  return ret;
}

3.2 执行非内建命令

利用buildCommand()的返回值

  • 如果返回值为0，那么就说明该命令为非内建命令，开始创建子进程进行进程替换
  • 如果返回值为1，那么就说明该命令为内建命令，已经经过处理，直接等待下一条命令的输入即可
//处理内建命令
int ret = buildCommand(argv);

//执行命令
if (!ret)
    execute(argv);

4. 实现代码

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

#define SIZE 1024
#define ARGC 64

int EXIT = 0;

void interact(char* out)
{
  printf("[%s@%s %s]$ ", getenv("USER"), getenv("HOSTNAME"), getenv("PWD"));
  fgets(out, SIZE, stdin);
  out[strlen(out) - 1] = '\0';
}

void split(char* command, char** out)
{
  int i = 0;
  out[i++] = strtok(command, " ");
  while (out[i++] = strtok(NULL, " "));
}

int buildCommand(char** argv)
{
  int ret = 0;
  if (strcmp(argv[0], "cd") == 0)
  {
    ret = 1;
    char* path = argv[1];
    char put[SIZE];
    char absolutePath[SIZE];

    if (path == NULL)
      path = getenv("HOME");
    
    chdir(path);
    getcwd(absolutePath, SIZE);
    
    snprintf(put, SIZE, "%s%s", "PWD=", absolutePath);
    putenv(put);
  }
  else if (strcmp(argv[0], "export") == 0)
  {
    ret = 1;
    char env[SIZE];
    if (argv[1])
    {
      strcpy(env, argv[1]);
      putenv(env);
    }
  }
  else if (strcmp(argv[0], "echo") == 0)
  {
    ret = 1;
    if (argv[1] == NULL)
      printf("\n");
    else
    {  
      if (argv[1][0] == '$')
      {
        if (argv[1][1] == '?')
        {
          printf("%d\n", EXIT);
          EXIT = 0;
        }
        else 
        {
          char* env = getenv(argv[1] + 1);
          if (env == NULL)
            printf("\n");
          else 
            printf("%s\n", env);
        }
      } 
      else 
        printf("%s\n", argv[1]);                    
     }
  }


  return ret;
}

void execute(char** argv)
{
    pid_t pid = fork();
    if (pid == 0)
    {
      execvp(argv[0], argv);
      exit(1);
    }

    int status;
    pid_t rid = waitpid(pid, &status, 0);
    EXIT = WEXITSTATUS(status);
}

int main()
{
  while(1)
  {
    //获取命令行参数
    char command[SIZE] = {0};
    interact(command);
    if (strlen(command) == 0)
      continue;

    //将命令行拆分成多个字符串
    char* argv[ARGC];
    split(command, argv);
    
    //处理内建命令
    int ret = buildCommand(argv);

  	//执行命令
    if (!ret)
      execute(argv);
  }

  return 0;
}

本篇完
如果错误敬请指正

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