【linux深入剖析】操作系统与用户之间的接口：自定义简易shell制作全过程

🍁你好，我是 RO-BERRY 📗 致力于C、C++、数据结构、TCP/IP、数据库等等一系列知识 🎄感谢你的陪伴与支持，故事既有了开头，就要画上一个完美的句号，让我们一起加油

在这里插入图片描述

1.shell

Linux的Shell是一种命令行解释器，它是用户与操作系统内核之间的接口。 通过Shell，用户可以输入命令并与操作系统进行交互。Shell可以执行各种任务，如文件管理、进程控制、系统配置等。

Linux中最常用的Shell是Bash（Bourne Again Shell），它是Bourne Shell的增强版本。Bash提供了丰富的功能和命令，使得用户可以更加高效地管理和操作系统。

以下是一些常用的Shell命令和功能：

文件和目录操作：ls（列出文件和目录）、cd（切换目录）、mkdir（创建目录）、rm（删除文件或目录）等。
文件查看和编辑：cat（查看文件内容）、grep（在文件中搜索指定内容）、vi（文本编辑器）等。
进程管理：ps（查看进程信息）、kill（终止进程）等。
系统信息查看：uname（显示系统信息）、df（查看磁盘空间使用情况）等。
网络管理：ping（测试网络连接）、ifconfig（配置网络接口）等。

考虑下面这个与shell典型的互动：

在这里插入图片描述

用下图的时间轴来表示事件的发生次序。其中时间从左向右。shell由标识为sh的方块代表，它随着时间的流逝从左向右移动。shell从用户读入字符串"ls"。shell建立一个新的进程，然后在那个进程中运行ls程序并等待那个进程结束。

在这里插入图片描述

然后shell读取新的一行输入，建立一个新的进程，在这个进程中运行程序并等待这个进程结束。
所以要写一个shell，需要循环以下过程:

获取命令行
解析命令行
建立一个子进程（fork）
替换子进程（execvp）
父进程等待子进程退出（wait）

根据这些思路，和我们前面的学的技术，就可以自己来实现一个shell了。

2.自定义shell的准备工作

首先做一个shell的目录，用来装我们的自定义shel

mkdir shell

然后在目录下创建Makefile文件以及myshell.c文件

ls > Makefile
touch myshell.c

编写Makefile和myshell.c文件

Makefile

myshell:myshell.c                                                                                   
    gcc -o $@ $^
.PHONY:clean
    rm -rf myshell

上面几步很好走，最重要的是我们的myshell.c文件应该如何去编写呢？

3. 编写myshell.c

之前我们总体学了环境变量，环境变量一般是指在操作系统中用来指定操作系统运行环境的一些参数。我们想得到当前用户名以及当前目录等等都依靠的是环境变量，因此我们可以通过环境变量来进行编写shell。

getenv("环境变量")：这个函数接口就是我们获取环境变量中存储的数据的方式（之前讲过）

3.1获取主机名

环境变量HOSTNAME

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

3.2获取用户名

环境变量USER

//获取用户名
char* UserName()
{
  char* hostname=getenv("USER");                                                                  
  if(hostname) return hostname;
  else return "None";
}

3.3获取当前工作目录

环境变量PWD

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

3.4 命令行缓冲区

我们有了上面三个信息后，就可以将上面三个当成我们的命令提示符了，也就是命令行前面显示的我们的用户名以及权限、当前目录。
有了命令行提示符还不够，我们还需要输入我们的指令操作，就必须创建一个命令行缓冲区，帮我们接受命令

在这里我们使用scanf是肯定不行的，scanf只能获取一个指令操作
所以需要用到fgets函数，来帮助我们获取多个指令
在这里插入图片描述

char *fgets(char *s, int size, FILE *stream) 是C语言中的一个函数，用于从指定的文件流中读取一行字符串，并将其存储到字符数组 s 中。

它的参数解释如下：

s：指向字符数组的指针，用于存储读取到的字符串。
size：要读取的最大字符数（包括空字符）。
stream：指向要读取的文件流的指针。

该函数会从文件流中读取字符，直到遇到换行符 \n、文件结束符 EOF 或者达到最大字符数 size-1。读取到的字符会存储在字符数组 s 中，并在末尾添加一个空字符 \0。
函数返回值为指向字符数组 s 的指针，如果成功读取到字符串，则返回 s 的地址；如果在读取过程中发生错误或者已经到达文件末尾，则返回 NULL。

注意：使用该函数时需要确保字符数组 s 的大小足够大，以容纳要读取的字符串。

stream文件流指针我们目前并未涉及，我们想输入的话这里就需要写stdin,输出的话这里需要写stdout

#define SIZE 1024
int main()
{
  char commandline[SIZE]; //命令行缓冲区
  printf("%s@%s %s]$ ",UserName(),HostName(),CurrentWorkDir());
  //scanf("%s",commandline); scanf只能获取一个字符串
                                                                       
  fgets(commandline, SIZE, stdin); //获取字符串              
 
  printf("test: %s\n", commandline);
                                 
  return 0;                                                                                       
}

我们简单进行测试一下：
在这里插入图片描述
我们这里最后的printf里是没有输出换行的，这是因为我们的fgets函数使用了之后会在末尾添加一个空字符 \0
我们也可以将这个\0去掉

因为\0在字符串的末尾，所以我们在字符串长度减一的位置将其改为0即可

int main()
{
  char commandline[SIZE];                                //命令行缓冲区
  printf("%s@%s %s]$ ",UserName(),HostName(),CurrentWorkDir());
  //scanf("%s",commandline); scanf只能获取一个字符串
  
  fgets(commandline, SIZE, stdin);
  commandline[strlen(commandline)-1] = 0;  

  printf("test: %s\n", commandline);

  return 0;
}

最后做成一个交互接口

int Interactive(char out[],int size)
{
  printf("%s@%s %s]$ ",UserName(),HostName(),CurrentWorkDir());
  fgets(out, size, stdin);
  out[strlen(out)-1] = 0;
  return strlen(out);
}

int main()
{
  char commandline[SIZE];                                //命令行缓冲区
  int n = Interactive(commandline,SIZE);
  if(n == 0) continue;   //解决空串问题
  printf("test: %s\n", commandline);

  return 0;
}

3.5 命令行切割

我们对ls -a -l进行了接受储存并打印，但是这里只有ls是指令，而后面的-a-l则是命令行参数，我们在这里就要对指令和命令行参数进行分割处理。那我们如何分割呢？

我们可以使用指针数组来分别存储，将其拆开
在这里插入图片描述
我们这里想将字符串一变多可以使用函数

strtok

strtok是一个C语言中的字符串处理函数，用于将字符串分割成多个子字符串。它的原型定义如下：

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

其中，str是要分割的字符串，delim是分割符。函数会将str按照delim进行分割，并返回第一个子字符串的指针。之后，每次调用strtok时，传入NULL作为第一个参数，函数会继续返回下一个子字符串的指针，直到所有子字符串都被返回。

需要注意的是，strtok会修改原始字符串，将分割符替换为’\0’，因此在使用strtok后，原始字符串会被改变。

#define MAX_ARGC 64
  //对命令行进行切割
  char *argv[MAX_ARGC];
  int i = 0;
  argv[i++]=strtok(commandline, SEP);
  while(argv[i++] = strtok(NULL,SEP));   //故意将 == 写成 =

这里我们故意将==写成=是为了让我们的argv以NULL结尾，当我们的argv被赋值为NULL之后，while判断会失败，就能跳出循环，这是因为我们的命令行参数必须以NULL结尾，进行程序替换的接口都必须要求我们的命令行参数以NULL结尾

接下来我们将我们的切割操作定义成一个接口

#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<string.h>

#define MAX_ARGC 64
#define SIZE 1024
#define SEP " "
char* argv[MAX_ARGC];
//获取主机名
const char* HostName()
{
  char* hostname=getenv("HOSTNAME");
  if(hostname) return hostname;
  else return "None";
}

//获取用户名
const char* UserName()
{ 
  char* hostname=getenv("USER");
  if(hostname) return hostname;
  else return "None";
}

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

int Interactive(char out[],int size)
{
  printf("%s@%s %s]$ ",UserName(),HostName(),CurrentWorkDir());
  fgets(out, size, stdin);
  out[strlen(out)-1] = 0;
  return strlen(out);
}
void Split(char in[])
{
  int i = 0;
  argv[i++]=strtok(in, SEP);
  while(argv[i++] = strtok(NULL,SEP));   //故意将 == 写成 =
}
int main()
{
  //接受命令字符串
  char commandline[SIZE];//命令行缓冲区
  int n = Interactive(commandline,SIZE);
  if(n == 0) continue;   //解决空串问题
  //对命令行进行切割
  Split(commandline);

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

此时的运行结果如下：

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3.6 执行命令

我们接收到了命令并进行了分割，接下来我们就要进行最关键的一步，对其进行执行操作。

此时我们要执行这个命令，我们是命令行解释器bash，我们不能直接进行程序替换执行命令，那么我们整个进程就被替换成这一个命令了，我们在这里需要用到子进程，让子进程执行这个命令

这里要使用execp接口
execp是一个系统调用函数，用于在当前进程中一个新的程序。它是exec函数族中的一员，execp函数的原型如下：

int execp(const char *file, const char *arg, ...);
其中，file参数是要执行的程序的路径，arg参数是传递给新程序的命令行参数。execp函数会将当前进程替换为新程序，并开始执行新程序的代码。

execp函数与其他exec函数的区别在于，它接受一个可变参数列表，可以传递任意数量的参数给新程序。这些参数在新程序中可以通过main函数的参数列表获取到。
execp函数执行成功时，不会返回到原来的程序，而是直接开始执行新程序。如果执行失败，则会返回-1，并设置errno变量来指示错误类型。
需要注意的是，execp函数只能在子进程中调用，因为它会替换当前进程的代码和数据段。如果在父进程中调用execp函数，那么父进程的代码和数据也会被替换，导致父进程无法继续执行。

  //执行命令
  pid_t id = fork();
  if(id == 0)
  {
    //让子进程执行命令
    execvp(argv[0], argv);
    exit(1);
  }
  //父进程等待子进程并进行回收
  pid_t rid = waitpid(id, NULL, 0);  
  printf("run done, rid: %d\n", rid);

在这里插入图片描述
我们现在已经可以执行我们的命令了

封装成接口：

void Execute()
{
  pid_t id = fork();
  if(id == 0)
  {
    //让子进程执行命令
    execvp(argv[0], argv);
    exit(1);
  }
  //父进程等待子进程并进行回收
  pid_t rid = waitpid(id, NULL, 0);  
}

3.7 进行多命令操作

众所周知，shell不可能只能执行一次命令，我们要进行多次命令操作

int main()
{
  while(1)
  {
    //接受命令字符串
    char commandline[SIZE];//命令行缓冲区
    Interactive(commandline,SIZE); 
    //对命令行进行切割
    Split(commandline);
    //执行命令
    Execute();
  }
  return 0;
}

我们使用一个死循环
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我们这个时候用的shell就是我们自己的shell了

但是为什么我们的cd命令却跑不了呢？

在这里插入图片描述

这是因为cd命令是由我们的子进程运行的，改变的是子进程的路径，而没有改变我们bash进程的路径

3.8 内建命令

内建命令是指直接内置在操作系统中的命令，可以直接在命令行或终端中使用，而无需额外安装或配置。内建命令通常具有更高的执行效率和更快的响应速度。

我们上面想执行cd，是因为其为内建命令，而不是让子进程进行。需要我们单独进行处理

char* Home()
{
  return getenv("HOME");
}
int BuildinCmd()
{
    int ret = 0;
    if(strcmp("cd", argv[0]) == 0)     //检测是否是cd命令
    {
      //执行内建命令
      ret = 1;
      char* target = argv[1];   //这里是cd命令后面紧跟着的路径或者空路径
      if(!target) target = Home();   //如果target为空，则为家目录，不为空则为目标目录
      
      chdir(target);         //chdir为改变当前路径为target
    }
    return ret;
}

在这里插入图片描述
可以看到我们当前路径是发生了改变的，但是前面的命令提示符上面的路径没有改变，我们的命令提示符提取的是我们的环境变量，也就是说，当我们的环境变量发生改变的时候，我们这里也要进行一个同步的更新才行

我们这里为了方便定义一个pwd的全局变量字符串

 char* pwd[MAX_ARGC];

我们还要涉及两个函数

putenv函数是一个C语言标准库函数，用于设置环境变量的值。它的原型如下：
int putenv(char *string);

putenv函数接受一个形如"key=value"的字符串参数，将该字符串解析为一个环境变量，并将其添加到当前进程的环境变量列表中。如果该环境变量已存在，则会更新其值。
putenv函数的返回值为0表示成功，非零值表示失败。
使用putenv函数可以在程序运行时动态地设置环境变量，这对于需要根据不同的条件来改变程序行为的情况非常有用。
注意：putenv函数在修改环境变量时，只会影响当前进程及其子进程，不会影响其他进程。

snprintf是一个C语言中的函数，用于将格式化的数据写入字符串中。它的原型如下：
int snprintf(char *str, size_t size, const char *format, ...);

其中，str是目标字符串的指针，size是目标字符串的最大长度，format是格式化字符串，后面的参数是要格式化的数据。
snprintf函数的作用是将格式化的数据按照指定的格式写入到目标字符串中，并返回写入的字符数（不包括终止符’\0’）。如果目标字符串的长度超过了指定的最大长度，snprintf会截断超出部分的数据，以保证不会发生缓冲区溢出。
snprintf函数与sprintf函数类似，但是它多了一个参数size，用于指定目标字符串的最大长度，从而避免了缓冲区溢出的风险。

当我们使用cd改变了当前路径的时候，我们就要用putenv来改变环境变量
然后我们使用snprintf让改变的路径存储到我们的全局变量里

代码实现如下：

int BuildinCmd()
{
    int ret = 0;
    //检测是非是内建命令，是为1.否为0
    if(strcmp("cd", argv[0]) == 0)
    {
      //执行内建命令
      ret = 1;
      char* target = argv[1]; //cd XXX or cd
      if(!target) target = Home();
      
      chdir(target);
      
      snprintf(pwd,SIZE,"PWD=%s",target);
      putenv(pwd);
    }
    
    return ret;
}

在这里插入图片描述
现在确实已经可以和我实现的操作进行同步了，只不过当我们cd两个点的时候，这是特殊代表上级目录的，它跟不上我们的操作

为了解决这个麻烦，我们需要使用getcwd函数接口

getcwd是一个C语言函数，用于获取当前工作目录的路径名。它的原型如下：
char *getcwd(char *buf, size_t size);

该函数接受两个参数，第一个参数是一个字符数组指针，用于存储获取到的当前工作目录路径名；第二个参数是buf的大小，用于指定buf的长度。
getcwd函数会将当前工作目录的路径名复制到buf中，并返回buf的指针。如果获取成功，则返回的指针与buf相同；如果获取失败，则返回NULL。
getcwd函数在实际应用中常用于获取当前程序所在的目录路径，以便进行文件操作或其他相关操作。

代码实现如下：

int BuildinCmd()
{
    int ret = 0;
    //检测是非是内建命令，是为1.否为0
    if(strcmp("cd", argv[0]) == 0)
    {
      //执行内建命令
      ret = 1;
      char* target = argv[1]; //cd XXX or cd
      if(!target) target = Home();
      chdir(target);
      
      char temp[1024];
      getcwd(temp, 1024);

      snprintf(pwd,SIZE,"PWD=%s",temp);
      putenv(pwd);
    }
    
    return ret;
}

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3.9 导入环境变量

我们现在进行导入环境变量，其实际上是子进程在运行，我们的bash进程是得不到我们的环境变量的，所以我们对于导入环境变量也需要特殊处理

也就是说export命令也是一个内建命令，需要我们自己导入到自己的环境变量里
设置一个全局变量存储我们的环境变量

env[SIZE]

int BuildinCmd()
{
    int ret = 0;
    //检测是非是内建命令，是为1.否为0
    if(strcmp("cd", argv[0]) == 0)
    {
      //执行内建命令
      ret = 1;
      char* target = argv[1]; 
      if(!target) target = Home();
      chdir(target);
      
      char temp[1024];
      getcwd(temp, 1024);

      snprintf(pwd,SIZE,"PWD=%s",temp);
      putenv(pwd);
    }
    else if(strcmp("export",argv[0]) == 0)
    {
      ret = 1;
      if(argv[1])
      {
        strcpy(env,argv[1])          //防止argv每次接收到的命令行数据覆盖掉，导致环境变量消失
        putenv(env);                //将环境变量导入
      }
    }
    return ret;
}

在这里插入图片描述

3.10 echo命令

echo命令也是一个内建命令

echo $?:可以打印出上次进程退出的退出码
echo $PATH:打印当前用户的主目录路径

char lastcode = 0 ;    //全局变量退出码

int BuildinCmd()
{
    int ret = 0;
    //检测是非是内建命令，是为1.否为0
    if(strcmp("cd", argv[0]) == 0)
    {
      //执行内建命令
      ret = 1;
      char* target = argv[1]; 
      if(!target) target = Home();
      chdir(target);
      
      char temp[1024];
      getcwd(temp, 1024);

      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] == '$')
        {
          if(argv[1][1] == '?')
          {
            printf("%d\n",lastcode);
            lastcode = 0;
          }
          else{
            char *e = getenv(argv[1]+1);
            if(e) printf("%s\n",e);
          }
        }
        else
          printf("%s\n", argv[1]);
      }
    }
    return ret;