自制shell命令行解释器，深入理解Linux系统命令行实现原理

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1.打印命令提示符

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2.获取用户输入指令

3.重定向分析

4.命令行参数表与环境变量表

5.命令解析

6.命令执行

6.1.创建子进程

6.2.文件重定向

6.3.处理内建命令

7.源码

在实现shell的时候我们先创建自己myshell目录，在目录中创建myshell.cc文件，因为shell本来是用c语言写的，但为了方便我们这里使用c和c++混编。

首先我们做一个整体框架：

1.打印命令提示符

首先我们需要给用户显示提示信息，就像我们在使用shell时所看到的提示信息一样，如下：

对它进行一一分析：

所以我们可以这样定义一个宏：

 #define ROOT_PROMPT "[%s@%s %s]# "
 #define OTHER_PROMPT "[%s@%s %s]$ "

对于用户名，主机号我们可以通过getenv从环境变量中得到，但是获取当前路径我们不能使用getenv，因为我们myshell的环境变量使用的是父进程的环境变量，我们在当前使用cd命令切换路径环境变量中的pwd并不会有改变。

所以获取当前路径，我们可以使用getcwd，直接查询操作系统的文件系统，获取当前进程的工作目录的绝对路径。而不用依赖环境变量。当然我们最好单独设计一个GetPwd把它封装起来，这样也方便把当前路径加入到环境变量中。如下：


char* GetPwd()
{
    char* const pwd=getcwd(cwd,sizeof(cwd));
    if(pwd!=NULL)
    {
        snprintf(envpwd,sizeof(envpwd),"PWD=%s",pwd);
        putenv(envpwd);
    }
    return pwd;                                                                                                                                            
}

void Print()
{
    string s=GetPwd();
    string tmp;//去掉路径，只保留目录名
    for(int i=s.size()-1;i>=0;i--)
    {  
        if(s[i]=='/') break;
        tmp.push_back(s[i]);
    }
    reverse(tmp.begin(),tmp.end());                                                                                                                        
    if(strcmp(getenv("USER"),"root")==0)
        printf(ROOT_PROMPT,getenv("USER"),getenv("HOSTNAME"),tmp.c_str());
    else
        printf(OTHER_PROMPT,getenv("USER"),getenv("HOSTNAME"),tmp.c_str());
}

2.获取用户输入指令

获取用户输入，因为用户输入的命令行参数是一个字符串，中间含有空格。所以我们不用scanf，cin进行输入。这里我们使用fgets。

bool GetCommand(char out[],int size)
{
    char* c=fgets(out,size,stdin);
    if(c==NULL) return false;
    out[strlen(out)-1]=0;
    if(strlen(out)==0) return false;
    else return true;
}

3.重定向分析

在用户输入的指令中可能汉含有重定向操作，所以我们要提前特殊处理一下字符串，并把它做一个分割。

既然是重定向，也就是我们打开需要重向到的那个文件，所以我们需要获取打开方式和文件名。

重定向有三种：

<：输入重定向（以读的方式打开文件）
>：输出重定向（以写的方式打开文件）
>>：追加重定向（以追加的方式打开文件）

所以我们可以使用宏来标记这些情况。

//重定向
#define NONE_REDIR 0//无重定向操作
#define INPUT_REDIR 1
#define OUTPUT_REDIR 2
#define APPEND_REDIR 3
int redir=NONE_REDIR;//记录重定向情况
string filename;//记录需要重定向到的文件

bool AnalyseRedir(char arr[])    
{    
    redir=NONE_REDIR;//这里还保留着上次执行的状态，需要初始化一下
    filename.clear();//同理，保留着上次执行的文件名，需要清理
    int end=strlen(arr)-1;    
    while(end>=0)    
    {    
        if(arr[end]=='<')    
        {    
              redir=INPUT_REDIR;    
              arr[end++]=0;    
              filename = GetFileName(arr,end);
              //这里的文件名就是end以后从非空格的部分开始到结束，这里就不再展示，下面会给出源码    
              break;    
        }    
        else if(arr[end]=='>')    
        {    
            if(end-1>=0&&arr[end-1]=='>')    
            {    
                redir=APPEND_REDIR;    
                arr[end-1]=0;
                //使后面再做命令行参数分析时，方便与后面内容分开  
            }    
            else redir=OUTPUT_REDIR;    
            filename = GetFileName(arr,end+1);    
            arr[end] = 0;    
            break;    
        }    
        else end--;     
    
    }    
    return true;    
}

4.命令行参数表与环境变量表

在shell中有两张表命令行参数表和环境变量表，实质都是字符串数组。

命令行参数表：用来储存用户输入的命令行参数。
环境变量表：用来储存当前进程的属性和状态。

所以我们可以这样做一个全局变量：

#define MAXARGV 128
#define MAXENV 200
//命令行参数表
char* g_argv[MAXARGV];
int g_argc=0;
//环境变量表
char* g_env[MAXENV];
int g_envc=0;

环境变量表需要我们在程序启动时就将它导入，当然程序启动后环境变量默认是父进程的，所以我们可以重新开辟空间把原环境变量的数据拷贝过来，然后再把environ更新为新的地址。具体实现请参考下文源码。

5.命令解析

刚才我们获取到了用户的输入得到一个字符串，需要把它一个一个按空格分开，来得到一张命令行参数表。方便后面做进程替换。

//命令行参数表
char* g_argv[MAXARGV];
int g_argc=0;

void AnalyseCommand(char* out)    
{    
#define SYMBOL " "    
    g_argc=0;    
    g_argv[g_argc++]=strtok(out,SYMBOL);    
    while((bool)(g_argv[g_argc++]=strtok(nullptr,SYMBOL)));    
    g_argv[g_argc]=0;    
}

6.命令执行

6.1.创建子进程

shell执行命令的实质就是进程替换，我们在做进程替换的时候不想结束父进程，那么需要我们创建一个新的子进程，让子进程来做替换。

6.2.文件重定向

pcd文件数组：储存了这个pcb打开的所有文件信息地址。
文件描述符（记fd）：pcb的文件数组中的一个下标，0下标的文件为标准输入流，1下标的文件为标准输出流，2下标的文件为标准错误流，这三个都是系统默认打开的文件。
重定向：系统在对文件进行操作时只认fd，所以重定向的实质就是一个fd位置的信息被其他fd的信息覆盖。

>，>>，指的都是从原来的标准输出（fd=1）重定向到某个文件，< 从原来的标准输入（fd=0）重定向到某个文件。所以这里我们只需要打开新的文件并获取到它的fd，然后使用dup2把新文件的地址信息覆盖到fd=1的文件上就行。然后关闭新文件的fd。

//重定向文件打开+dup2    
if(redir!=NONE_REDIR)    
{    
    int fd=-1;    
    if(redir==INPUT_REDIR)    
    {    
        fd=open(filename.c_str(),O_RDONLY);    
        if(!(fd>=0)) exit(1);    
            dup2(fd,0);    
}    
    else if(redir==OUTPUT_REDIR)    
    {    
        fd=open(filename.c_str(),O_CREAT | O_WRONLY | O_TRUNC,0666);    
        if(!(fd>=0)) exit(1);    
            dup2(fd,1);    
    }    
    else    
    {    
        fd=open(filename.c_str(),O_CREAT | O_WRONLY | O_APPEND,0666);    
        if(!(fd>=0)) exit(1);    
        dup2(fd,1);    
    }    
    close(fd);
}

6.3.处理内建命令

有一些命令比如cd，是一个内建命令，子进程是无法完成的，需要系统来执行。我们可以使用chdir来完成,chdir函数声明如下：

int chdir(const char *path);

它的作用是进入某个目录，需要传一个目录的路径。

7.源码

注意：在做编译链接时需要用指令g++，并且加入-std=c++11选项

#include<iostream>    
#include<cstdio>    
#include<cstring>    
#include<string>    
#include<sys/types.h>    
#include<unistd.h>    
#include<vector>    
#include<cstdlib>    
#include<sys/wait.h>    
#include<algorithm>    
#include<sys/stat.h>    
#include<fcntl.h>    
using namespace std;    
#define COMMAND_SIZE 1024    
#define MAXARGV 128    
#define MAXENV 200    
#define ROOT_PROMPT "[%s@%s %s]# "    
#define OTHER_PROMPT "[%s@%s %s]$ "    
//重定向    
#define NONE_REDIR 0    
#define INPUT_REDIR 1    
#define OUTPUT_REDIR 2    
#define APPEND_REDIR 3    
int redir=NONE_REDIR;    
string filename;    
//命令行参数表    
char* g_argv[MAXARGV];    
int g_argc=0;    
//环境变量表    
char* g_env[MAXENV];    
int g_envc=0;    
//路径记录    
char cwd[1024];    
char envpwd[1024];    
char* GetPwd()    
{    
    char* const pwd=getcwd(cwd,sizeof(cwd));    
    if(pwd!=NULL)    
    {    
        snprintf(envpwd,sizeof(envpwd),"PWD=%s",pwd);    
        putenv(envpwd);    
    }    
    return pwd;    
}    
bool GetCommand(char out[],int size)    
{    
    char* c=fgets(out,size,stdin);    
    if(c==NULL) return false;    
    out[strlen(out)-1]=0;    
    if(strlen(out)==0) return false;    
    else return true;    
}    
string GetFileName(char arr[],int p)    
{    
    if(arr[p]==' ') p++;    
    return string(arr+p);    
}    
void PushEnv()    
{    
    for(int i=0;environ[i];i++)    
    {    
        g_env[i]=(char*)malloc(strlen(environ[i])+1);    
        strcpy(g_env[i],environ[i]);    
        g_envc++;    
    }    
    g_env[g_envc]=NULL;    
    for(int i=0;g_env[i];i++)    
        putenv(g_env[i]);  
    environ=g_env;    
}    
void Print()    
{    
    string s=GetPwd();    
    string tmp;    
    for(int i=s.size()-1;i>=0;i--)    
    {    
        if(s[i]=='/') break;    
        tmp.push_back(s[i]);    
    }    
    reverse(tmp.begin(),tmp.end());    
    if(strcmp(getenv("USER"),"root")==0)    
        printf(ROOT_PROMPT,getenv("USER"),getenv("HOSTNAME"),tmp.c_str());    
    else    
        printf(OTHER_PROMPT,getenv("USER"),getenv("HOSTNAME"),tmp.c_str());    
}    
bool AnalyseRedir(char arr[])    
{    
    redir=NONE_REDIR;    
    filename.clear();    
    int end=strlen(arr)-1;    
    while(end>=0)    
    {    
        if(arr[end]=='<')    
        {    
              redir=INPUT_REDIR;    
              arr[end++]=0;    
              filename = GetFileName(arr,end);    
              break;    
        }    
        else if(arr[end]=='>')    
        {    
            if(end-1>=0&&arr[end-1]=='>')    
            {    
                redir=APPEND_REDIR;    
                arr[end-1]=0;    
            }    
            else    
            {    
                redir=OUTPUT_REDIR;    
            }    
            filename = GetFileName(arr,end+1);    
            arr[end] = 0;    
            break;    
        }    
        else end--;     
    
    }    
    return true;    
}    
void AnalyseCommand(char* out)    
{    
#define SYMBOL " "    
    g_argc=0;    
    g_argv[g_argc++]=strtok(out,SYMBOL);    
    while((bool)(g_argv[g_argc++]=strtok(nullptr,SYMBOL)));    
    g_argv[g_argc]=0;    
}    
bool Cd()    
{    
    char* where;    
    if(g_argc==1)    
        where=getenv("HOME");    
    else    
        where=g_argv[1];    
    chdir(where);    
    return true;    
}    
bool Echo()    
{    
    //... ...
    return true;    
}    
void RunCmd()    
{    
    pid_t id=fork();    
    if(id==0)    
    {    
        //重定向文件打开+dup2    
        if(redir!=NONE_REDIR)    
        {    
            int fd=-1;    
            if(redir==INPUT_REDIR)    
            {    
                fd=open(filename.c_str(),O_RDONLY);    
                if(!(fd>=0)) exit(1);    
                dup2(fd,0);    
            }    
            else if(redir==OUTPUT_REDIR)    
            {    
                fd=open(filename.c_str(),O_CREAT | O_WRONLY | O_TRUNC,0666);    
                if(!(fd>=0)) exit(1);    
                dup2(fd,1);    
            }    
            else    
            {    
                fd=open(filename.c_str(),O_CREAT | O_WRONLY | O_APPEND,0666);    
                if(!(fd>=0)) exit(1);    
                dup2(fd,1);    
            }    
            close(fd);
        } 
        string tmp="cd";    
        if(g_argv[0]==tmp)    
        {    
            if(!Cd())  printf("-myshell: command not found\n");    
        }    
        else    
        {    
            execvp(g_argv[0],g_argv);    
            printf("-myshell: %s: command not found\n",g_argv[0]);    
            exit(1);    
        }    
    
    }    
    pid_t p=waitpid(id,NULL,0);    
    (void)p;    
}    
int main()    
{       
    //载入环境变量    
    PushEnv(); 
    while(1)    
    {    
        //命令行提示打印    
        Print();    
    
        //获取用户输入命令    
        char out[COMMAND_SIZE];    
        GetCommand(out,sizeof(out));    
    
        //重定向解析    
        AnalyseRedir(out);    
    
        //命令解析    
        AnalyseCommand(out);    
    
        //命令执行    
        RunCmd();    
    }    
    return 0;
}