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文章專欄-Linux

前言：

Shell（外殼）是一個操作系統(tǒng)的用戶界面，它提供了一種方式，使得用戶能夠與操作系統(tǒng)進行交互。Shell 是用戶與操作系統(tǒng)之間的橋梁，允許用戶通過命令行輸入來執(zhí)行各種操作，例如文件管理、程序執(zhí)行、進程控制、系統(tǒng)監(jiān)控等

常見的 Shell 類型：

1. Bash（Bourne Again Shell）：
   • 是 Linux 和 macOS 等類 Unix 系統(tǒng)中常見的默認 Shell。它是 Bourne Shell 的增強版，支持豐富的特性，如命令補全、歷史命令、數(shù)組等。
2. Zsh（Z Shell）：
   • 是一個功能強大的 Shell，支持更豐富的自動化、命令補全、插件系統(tǒng)等特性。Zsh 常常被認為是最為用戶友好的 Shell 之一。
3. Fish（Friendly Interactive Shell）：
   • 是一個具有用戶友好界面和豐富特性（如自動提示、自動補全等）的現(xiàn)代 Shell。其設(shè)計注重簡潔和易用性。
4. C Shell（csh）：
   • 基于 C 語言語法的 Shell，主要用于早期的 Unix 系統(tǒng)。C Shell 提供了較強的腳本編程功能。
5. Korn Shell（ksh）：
   • 是一個功能強大的 Shell，結(jié)合了 Bourne Shell 和 C Shell 的特性，并且提供了很多增強的功能。

shell外殼的實現(xiàn)

引入頭文件

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

• #include<string>：引入 C++ 的 string 庫，用于字符串處理。

• #include<unistd.h>：提供訪問系統(tǒng)調(diào)用的接口，例如 fork()、execvp()、getcwd() 等。

• #include<sys/wait.h>：包含等待子進程退出的函數(shù)。

• #include<sys/types.h>：包含系統(tǒng)數(shù)據(jù)類型的定義，如 pid_t（進程 ID 類型）。

• #include<stdlib.h>：提供一些標(biāo)準(zhǔn)庫函數(shù)，如 exit()、getenv() 和 putenv() 等。

• #include<stdio.h>：提供輸入輸出函數(shù)，如 printf()。

• #include<string.h>：提供字符串操作函數(shù)，如 strtok()、strcmp() 等。

• #include<assert.h>：提供調(diào)試宏 assert()，用于檢測程序中的錯誤

宏定義

#define DELIM " \t"
#define LEFT "["
#define RIGHT "]"
#define LABLE "$"
#define LINE_SIZE 1024
#define ARGC_SIZE 32
#define EXIT_CODE 4

• DELIM：命令行參數(shù)的分隔符，包含空格和制表符。

• LEFT, RIGHT, LABLE：格式化命令行提示符的符號，用于顯示用戶、主機和當(dāng)前工作目錄。

• LINE_SIZE：最大命令行字符長度，設(shè)置為1024。

• ARGC_SIZE：最大命令行參數(shù)數(shù)量，設(shè)置為32。

• EXIT_CODE：用于退出的錯誤代碼。

全局變量

int quit = 0;
int LASTCODE = 0;
char* argv[ARGC_SIZE];
char commondline[LINE_SIZE];
char pwd[ARGC_SIZE];
char myenv[ARGC_SIZE];

• quit：控制程序是否退出的標(biāo)志。

• LASTCODE：記錄上一個命令的退出狀態(tài)碼。

• argv：存儲命令行解析后的參數(shù)。

• commondline：存儲輸入的命令行字符串。

• pwd：存儲當(dāng)前工作目錄路徑。

• myenv：存儲環(huán)境變量。

const char* getusr()
{return getenv("USER");
}const char* gethostname()
{return getenv("HOSTNAME");
}

• getusr：返回當(dāng)前用戶的用戶名。
• gethostname：返回當(dāng)前計算機的主機名。

獲取當(dāng)前工作目錄

void getpwd()
{getcwd(pwd, sizeof(pwd));
}

• getpwd：調(diào)用 getcwd 獲取當(dāng)前工作目錄，并將結(jié)果存儲在 pwd 中。

交互式輸入處理

void ineract(char* cline, int size)
{getpwd();printf(LEFT"%s@%s %s"RIGHT""LABLE" ", getusr(), gethostname(), pwd);char* s = fgets(cline, size, stdin);assert(s);(void)s;cline[strlen(cline) - 1] = '\0';
}

該 ineract 函數(shù)是命令行交互的核心部分，用于顯示提示符并獲取用戶輸入。以下是對代碼逐行的解析：

函數(shù)定義

void ineract(char* cline, int size)

• cline：指向存儲用戶輸入命令的字符數(shù)組的指針。
• size：輸入緩沖區(qū)的大小，表示 cline 數(shù)組的最大容量。

獲取當(dāng)前工作目錄并顯示提示符

getpwd();
printf(LEFT"%s@%s %s"RIGHT""LABLE" ", getusr(), gethostname(), pwd);

• getpwd()：調(diào)用 getpwd 函數(shù)來獲取當(dāng)前工作目錄并存儲到全局變量 pwd 中。

• printf：顯示命令行提示符。格式為 [user@hostname pwd]$，其中：

  • getusr()：獲取當(dāng)前用戶名（通過環(huán)境變量 USER）。
  • gethostname()：獲取當(dāng)前主機名（通過環(huán)境變量 HOSTNAME）。
  • pwd：顯示當(dāng)前工作目錄。

  提示符通過格式化字符串顯示，LEFT 和 RIGHT 用于添加方括號（[ 和 ]）包圍信息，而 LABLE 是一個 $ 字符，表示命令行提示符。

獲取用戶輸入

char* s = fgets(cline, size, stdin);
assert(s);
(void)s;

• fgets(cline, size, stdin)：從標(biāo)準(zhǔn)輸入（鍵盤）讀取用戶輸入，存儲在 cline 數(shù)組中，最多讀取 size-1 個字符。fgets 會自動在輸入末尾添加一個 \0 來終止字符串。
• assert(s)：如果 fgets 返回 NULL，程序?qū)⒔K止并輸出錯誤信息。assert 是一種調(diào)試檢查，確保輸入讀取成功。如果 s 為 NULL，說明讀取輸入失敗。
• (void)s：(void)s 的作用是消除未使用變量 s 的編譯器警告，實際上這里并沒有做任何事情。

去除輸入末尾的換行符

cline[strlen(cline) - 1] = '\0';

• strlen(cline) - 1：計算輸入字符串的長度，并將其最后一個字符（換行符 \n）替換為字符串結(jié)束符 \0。這一步去除 fgets 讀取時可能留下的換行符。

命令行解析

int AnalyzeCommandLine(char* cline)
{int i = 0;argv[i++] = strtok(cline, DELIM);while (argv[i++] = strtok(NULL, DELIM));return i - 1;
}

AnalyzeCommandLine 函數(shù)用于解析輸入的命令行字符串，并將解析出的各個命令參數(shù)存儲在 argv 數(shù)組中。以下是對該函數(shù)的逐行解析：

函數(shù)定義

int AnalyzeCommandLine(char* cline)

• cline：輸入的命令行字符串（用戶在命令行輸入的完整命令）。該字符串將會被解析為多個命令和參數(shù)。

初始化參數(shù)索引

int i = 0;

• i：定義一個整數(shù)變量 i，用于跟蹤 argv 數(shù)組的索引位置，表示當(dāng)前解析的命令參數(shù)的位置。

使用 strtok 解析命令行

argv[i++] = strtok(cline, DELIM);

strtok(cline, DELIM)：strtok 是一個字符串分割函數(shù)，它通過指定的分隔符（DELIM）將 cline 字符串分割成多個子字符串。DELIM 在此代碼中定義為 " \t"，即空格和制表符。

• 第一次調(diào)用 strtok() 時，它會返回 cline 字符串中的第一個子字符串（即命令或第一個參數(shù)）。返回值會存儲在 argv[i] 中。
• 然后 i++ 使得 i 增加 1，指向下一個位置

繼續(xù)解析命令行參數(shù)

while (argv[i++] = strtok(NULL, DELIM));

• strtok(NULL, DELIM)：在第一次調(diào)用 strtok() 后，后續(xù)調(diào)用需要傳入 NULL 作為第一個參數(shù)，表示繼續(xù)從上次分割的位置開始。strtok() 會繼續(xù)根據(jù)分隔符分割剩余的命令行字符串，并返回下一個子字符串。
• 這段代碼通過 while 循環(huán)逐個提取命令行中的每個子字符串，并將其存儲到 argv[i] 中。每次調(diào)用 strtok() 后，i++ 將 i 指向下一個數(shù)組位置。

返回參數(shù)的數(shù)量

return i - 1;

• i - 1：由于最后一次 i++ 會多加一次，因此函數(shù)返回 i - 1，即存儲在 argv 數(shù)組中的參數(shù)個數(shù)（命令行中的參數(shù)數(shù)量）。

執(zhí)行常規(guī)命令

void NormalExecl(char* _argv[])
{pid_t id = fork();if (id < 0){perror("fork");return;}else if (id == 0){execvp(_argv[0], argv);exit(EXIT_CODE);}else{int status = 0;pid_t rid = waitpid(id, &status, 0);if (id){LASTCODE = WEXITSTATUS(status);}}
}

函數(shù)定義

void NormalExecl(char* _argv[])

• _argv[]：這是一個參數(shù)數(shù)組，用于傳遞命令及其參數(shù)。例如，_argv[0] 是命令，_argv[1] 是命令的第一個參數(shù)，依此類推。

創(chuàng)建子進程

pid_t id = fork();

fork()：fork() 函數(shù)用于創(chuàng)建一個新進程。它將當(dāng)前進程復(fù)制一份。新進程被稱為子進程，原始進程是父進程。

• 如果 fork()成功，它會返回兩次：
  • 父進程：返回子進程的進程 ID（PID）。
  • 子進程：返回 0。
• 如果 fork() 失敗，它返回負值。

錯誤處理

if (id < 0)
{perror("fork");return;
}

• id < 0：如果 fork() 返回負值，表示創(chuàng)建子進程失敗。此時打印錯誤信息并返回。
• perror("fork")：輸出錯誤信息，說明 fork() 失敗的原因。

子進程執(zhí)行命令

else if (id == 0)
{execvp(_argv[0], argv);exit(EXIT_CODE);
}

id == 0：這是子進程中的代碼塊。如果 fork() 返回 0，表示當(dāng)前代碼在子進程中執(zhí)行。

execvp(_argv[0], argv)：子進程調(diào)用 execvp() 函數(shù)來執(zhí)行命令。execvp() 會用指定的命令替換當(dāng)前進程的映像。具體來說：

• _argv[0] 是命令（例如 ls）。
• argv 是命令的參數(shù)數(shù)組，其中包含命令和它的所有參數(shù)（例如 ls -l）。

exit(EXIT_CODE)：如果 execvp() 失敗，子進程會退出，返回 EXIT_CODE。如果 execvp() 成功，當(dāng)前進程會被新的命令替代，exit() 不會被執(zhí)行

父進程等待子進程結(jié)束

else
{int status = 0;pid_t rid = waitpid(id, &status, 0);if (id){LASTCODE = WEXITSTATUS(status);}
}

• else：這是父進程中的代碼塊，父進程需要等待子進程結(jié)束并獲取其退出狀態(tài)。

• int status = 0;：定義一個變量 status 用來存儲子進程的退出狀態(tài)。

• waitpid(id, &status, 0)

  ：父進程使用 waitpid()函數(shù)等待子進程的結(jié)束。waitpid() 會阻塞父進程，直到指定的子進程結(jié)束，并返回子進程的退出狀態(tài)。

  • id：是子進程的進程 ID，表示父進程等待這個子進程。
  • &status：存儲子進程退出時的狀態(tài)信息。
  • 0：表示父進程等待子進程的退出，不對其狀態(tài)做其他操作。

• LASTCODE = WEXITSTATUS(status)：獲取子進程的退出狀態(tài)碼并存儲在 LASTCODE 中。WEXITSTATUS(status) 提取的是子進程的退出代碼。

內(nèi)建命令執(zhí)行

int BuildExec(char* _argv[], int _argc)
{if (_argc == 2 && strcmp(_argv[0], "cd") == 0){chdir(_argv[1]);getpwd();sprintf(getenv("PWD"), "%s", pwd);return 1;}else if (_argc == 2 && strcmp(_argv[0], "export") == 0){strcpy(myenv, _argv[1]);putenv(myenv);return 1;}else if (_argc == 2 && strcmp(_argv[0], "echo") == 0){if (strcmp(_argv[1], "$?")){printf("%d\n", LASTCODE);LASTCODE = 0;}else if (strcmp(_argv[1], "$")){char* val = getenv(_argv[1] + 1);printf("%s\n", val);}else{printf("%s\n", _argv[1]);}}if (strcmp(_argv[0], "ls") == 0){_argv[_argc++] = "--color";_argv[_argc] = NULL;}return 0;
}

函數(shù)定義

int BuildExec(char* _argv[], int _argc)

• _argv[]：命令行解析后參數(shù)的數(shù)組，存儲命令及其參數(shù)。
• _argc：命令行參數(shù)的數(shù)量。

處理 cd 命令

if (_argc == 2 && strcmp(_argv[0], "cd") == 0)
{chdir(_argv[1]);getpwd();sprintf(getenv("PWD"), "%s", pwd);return 1;
}

• strcmp(_argv[0], "cd") == 0：檢查命令是否為 cd。如果 argv[0] 是 "cd"，則執(zhí)行以下操作。
• chdir(_argv[1])：改變當(dāng)前工作目錄到 argv[1] 指定的路徑。
• getpwd()：調(diào)用 getpwd() 獲取新的工作目錄并更新全局變量 pwd。
• sprintf(getenv("PWD"), "%s", pwd)：更新環(huán)境變量 PWD，使其反映當(dāng)前工作目錄。
• return 1;：表示已經(jīng)處理了 cd 命令，因此直接返回，不繼續(xù)處理后面的代碼。

處理 export 命令

else if (_argc == 2 && strcmp(_argv[0], "export") == 0)
{strcpy(myenv, _argv[1]);putenv(myenv);return 1;
}

• strcmp(_argv[0], "export") == 0：檢查命令是否為 export。如果 argv[0] 是 "export"，則執(zhí)行以下操作。
• strcpy(myenv, _argv[1])：將 argv[1] 的值復(fù)制到 myenv 字符數(shù)組中。argv[1] 應(yīng)該是一個環(huán)境變量的設(shè)置（例如 "VAR=value"）。
• putenv(myenv)：使用 putenv() 將 myenv 中的環(huán)境變量設(shè)置添加到當(dāng)前環(huán)境中。
• return 1;：表示已經(jīng)處理了 export 命令，直接返回。

處理 echo 命令

else if (_argc == 2 && strcmp(_argv[0], "echo") == 0)
{if (strcmp(_argv[1], "$?")){printf("%d\n", LASTCODE);LASTCODE = 0;}else if (strcmp(_argv[1], "$")){char* val = getenv(_argv[1] + 1);printf("%s\n", val);}else{printf("%s\n", _argv[1]);}
}

• strcmp(_argv[0], "echo") == 0：檢查命令是否為 echo。如果是，繼續(xù)執(zhí)行以下代碼。
• strcmp(_argv[1], "$?")：檢查是否要求輸出上一個命令的退出狀態(tài)碼。如果 argv[1] 是 "$?"，則輸出上一個命令的退出代碼 LASTCODE，并將 LASTCODE 重置為 0。
• strcmp(_argv[1], "$")：檢查是否要求輸出某個環(huán)境變量的值。如果 argv[1] 是以 $ 開頭（例如 $HOME），則獲取該環(huán)境變量的值并打印。
• printf("%s\n", _argv[1]);：如果既不是 "$?" 也不是以 $ 開頭，則直接輸出 argv[1]，即用戶傳遞給 echo 的字符串。

特殊處理 ls 命令

if (strcmp(_argv[0], "ls") == 0)
{_argv[_argc++] = "--color";_argv[_argc] = NULL;
}

• strcmp(_argv[0], "ls") == 0：檢查命令是否為 ls。如果是 ls 命令，執(zhí)行以下操作。
• _argv[_argc++] = "--color";：給 ls 命令添加 --color 參數(shù)，這樣 ls 命令輸出的文件列表會使用不同的顏色顯示（通常是通過文件類型區(qū)分）。
• _argv[_argc] = NULL;：將數(shù)組最后一個元素設(shè)置為 NULL，確保 execvp() 在執(zhí)行時能正確處理參數(shù)數(shù)組。

返回值

return 0;

• 如果命令不是內(nèi)建命令（cd、export、echo）或者沒有進行特殊處理（如 ls），則返回 0，表示該命令需要外部執(zhí)行。

主程序邏輯

int main()
{while (!quit){//命令行提示ineract(commondline, sizeof(commondline));//命令解析int argc = AnalyzeCommandLine(commondline);//指令解析int n = BuildExec(argv, argc);if (!n) NormalExecl(argv);}return 0;
}

• main：主程序循環(huán)，不斷提示用戶輸入命令。首先獲取并解析命令行輸入，然后判斷是否為內(nèi)建命令，若不是，則調(diào)用 NormalExecl 執(zhí)行外部命令。直到 quit 被設(shè)置為 1 時，程序結(jié)束。