【Linux】进程实践项目 —— 自主shell编写

叫我龙翔

发布于 2024-04-02 09:52:39

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发布于 2024-04-02 09:52:39

文章被收录于专栏：就业 C++ 综合学习就业 C++ 综合学习

送给大家一句话：

不管前方的路有多苦，只要走的方向正确，不管多么崎岖不平，都比站在原地更接近幸福。 —— 宫崎骏《千与千寻》

1 前言

前几篇文章，我们学习进程的相关知识：进程概念，进程替换，进程控制。熟悉了进程到底是个什么事情，接下来我们来做一个实践，来运用我们所学的相关知识。这个项目就是手搓一个shell模块，模拟实现Xshell中的命令行输入。

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：

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），防止打扰主程序的运行
替换子进程（execvp），来执行对应功能。
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 项目实现

为了保证项目文件的优雅美观，我们按照功能来书写不同函数：

创建自己的命令行
获取命令
分割命令
创建进程执行命令

2.1 创建命令行

该模块我们需要实现类似：

获取这些信息大家应该都知道吧！通过对环境变量我们就可以获取到这些信息。使用getenv()函数就可以完成操作。

#include<stdio.h>
  2 #include<sys/types.h>
  3 #include<sys/wait.h>
  4 #include<stdlib.h>
  5 #include<unistd.h>
  6 #include<string.h>
  7 //大小宏
  8 #define SIZE 256
  9 //获取用户名
 10 const char* GetUsername() 
 11 {
 12   const char* name = getenv("USER");
 13   if(name == NULL) return "NONE";
 14   return name; 
 15 }
 16 //获取机器信息
 17 const char* GetHostName()
 18 {
 19   const char* hostname = getenv("HOSTNAME");
 20   return hostname; 
 21 }
 22 //获取当前目录
 23 const char* GetCwd()
 24 {
 25   const char* cwd = getenv("PWD");
 26   if(cwd == NULL) return "NONE";
 27   return cwd;
 28 }
 29 
 30 void MakeCommandLineAndPrint()
 31 { //设置命令行字符串
 32   char line[SIZE];
 33   const char* username = GetUsername();
 34   const char* hostname = GetHostName();
 35   const char* cwd = GetCwd();
 	  //将获取的三个数据写入命令行中 
 36   sprintf(line,"[%s@%s %s]> ",username,hostname,cwd);                                                                                                                         
 37   printf("%s",line);
 38   fflush(stdout);//为了将命令行刷新出来
 39 }
 40 
 41 int main()
 42 {
 43   //创建我们自己的命令行
 44   MakeCommandLineAndPrint();
 45   int a = 0; scanf("%d",&a); //阻断一下方便查看
 46   return 0;
 47 }

这里使用的sprintf()函数是向流中写入格式化信息的好工具。这一段函数大家都可以看明白，就是获取三个变量，然后通过Line数组进行中转，然后打印出来。来看效果：

这时候发现，我们的所在目录全部都别打印出来了，我们可以进行一下优化：

#define SkipPath(p) do{ p += strlen(p)-1 ;while(*p != '/') p--; p++; }while(0);

通过这个宏定义就可以只保留最后的目录。 这里之所以不使用函数，是因为使用函数会涉及二级指针，会比较复杂！！！ 来看效果：

这样就非常完美了！！！

2.2 获取命令

这个模块可以说是非常关键的一步了，只有正确获取了对应命令，我们才好打开新进程来执行命令。

	  #define ZERO '\0'
   45 int GetUserCommand(char* command,int n)
   46 {
   47   if(command == NULL) return -1;
   48   fgets(command,n,stdin);
   49   command[strlen(command) - 1] = ZERO; 
   50   return strlen(command);
   51 }

这样我们就可以获取命令行输入的字符串了。

2.3 分割命令

获取命令之后，我们还需要对输入的一串命令来进行分割，来保证我们可以正常执行命令

   12 #define SEP " "
   ...
   14 //全局命令 方便操作
   15 char* gArgv[NUM];
   ...
   58 void SplitCommand(char command[] , size_t n)
   59 {
   60   (void)n;
   61   gArgv[0] = strtok(command,SEP);
   62   int index = 1;
   63   // done, 故意写成=,表示先赋值，在判断. 分割之后，strtok会返回NULL，刚好让gArgv最后一个元素是NULL, 并且while判断结束
   64   while((gArgv[index++] = strtok(NULL,SEP)));
   65 }

我们使用来strtok()函数：

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

str—要被分解的字符串
delim—用作分隔符的字符（可以是一个，也可以是集合）在这里我们使用宏定义SEP（代表 “ ” ）

第一次调用strtok()，传入的参数str是要被分割的字符串{aaa - bbb -ccc}，而成功后返回的是第一个子字符串{aaa}；
第二次调用strtok的时候，传入的参数应该为NULL，这样使该函数默认使用上一次未分割完的字符串继续分割 ，就从上一次分割的位置作为本次分割的起始位置，直到分割结束。（strtok内部会记录相应信息）

这样就成功分割命令，来看效果：

我们的准备工作做完了，接下来就可以进行最终的操作：创建新进程来执行命令！

2.4 运行命令

运行命令就要使用：

创建子进程
进程替换

这两个加在一起就有了非常牛批的力量，究极POWER！。

   68 //执行命令
   69 void ExecuteCommand()
   70 {//创建子进程
   71   pid_t id = fork();                                                                                                                                                        
   72   if(id == 0)                                                                                                                 
   73   { //进程替换                                                                                                                          
   74     execvp(gArgv[0],gArgv);                                                                                               
   75     exit(errno);                                                                                                              
   76   }                                                                                                                           
   77   else                                                                                                                        
   78   {                                                                                                                           
   79     int status = 0;                                                                                                           
   80     pid_t rid = waitpid(id,&status,0);//进程等待                                                                                        
   81     if(rid > 0)                                                                                                               
   82     { //如果错误打印错误信息                                                                                                                        
   83       int lastcode = WEXITSTATUS(status);                                                                                     
   84       if(lastcode != 0) printf("%s:%s:%d\n",gArgv[0],strerror(lastcode),lastcode);                                            
   85     }                                                                                                                              
   86   }                                                                                                                                
   87 }

前面已经做好大部分工作了，执行命令这一步就很简单了。来看效果：

这样就完成了绝大部分的代码编写。我们在加上一个while循环，让命令行一直运行试试:

这样就实现了shell的大部分功能，但是还是有一些功能没有做到：比如我们运行cd等内建命令时，会无法运行，所以我要加上特殊情况来保证内建命令可以执行！！！

90 char* GetHome()
 91 {
 92   char* home = getenv("HOME");
 93   return home;
 94 }
 95 
 96 char cwd[SIZE];
 97 
 98 void cd()
 99 {
100   const char* path = gArgv[1];
101   if(path == NULL) path = GetHome();
102   chdir(path);
103 
104   char temp[SIZE];
105   getcwd(temp,sizeof(temp));                                                                                                                                                  
106   snprintf(cwd,sizeof(cwd),"PWD=%s",temp);
107   putenv(cwd);
108 }
109 
110 //检查是否为内建命令 并单独执行
111 bool CheckBuildin()
112 {
113   bool yes = false;
114   //if语句判断即可，内建命令是有限的
115   if(strcmp(gArgv[0],"cd") == 0)
116   {
117     cd();
118     yes = true;
119   }
120   return yes;
121 }
123 int main()
124 {
125   int quit = 0;                                                                                                                                                               
126 
127   while(!quit)
128   {
129 
130     //创建我们自己的命令行
131     MakeCommandLineAndPrint();
132     
133     //获取命令行信息
134     char usercommand[SIZE];
135     int n = GetUserCommand(usercommand,sizeof(usercommand));
136     if(n <= 0) return 1;
137     
138     //分割命令行信息
139     SplitCommand(usercommand, sizeof(usercommand));
140     
141     bool judge = CheckBuildin();
142     if(judge) continue;
143 
144     //执行命令
145     ExecuteCommand();
146   }
147 
148 
149   return 0;
150 }

这样把内建命令单独进行运行就可以了，我这里只写了一个cd命令。来看效果：

这样就完成了我们的自主shell编写！！！

3 源代码

#include<stdio.h>
  2 #include<sys/types.h>
  3 #include<sys/wait.h>
  4 #include<stdlib.h>
  5 #include<unistd.h>
  6 #include<string.h>
  7 #include<errno.h>
  8 #include<stdbool.h> 
  9 
 10 #define SIZE 256
 11 #define SkipPath(p) do{ p += strlen(p)-1 ;while(*p != '/') p--; }while(0); 
 12 #define ZERO '\0'
 13 #define NUM 32
 14 #define SEP " "
 15 
 16 //命令
 17 char* gArgv[NUM];
 18 int lastcode = 0;
 19 char cwd[SIZE];
 20 
 21 const char* GetUsername()
 22 {
 23   const char* name = getenv("USER");
 24   if(name == NULL) return "NONE";
 25   return name; 
 26 }
 27 
 28 const char* GetHostName()
 29 {
 30   const char* hostname = getenv("HOSTNAME");
 31   return hostname; 
 32 }
 33 
 34 const char* GetCwd()
 35 {
 36   const char* cwd = getenv("PWD");
 37   if(cwd == NULL) return "NONE";
 38   return cwd;
 39 }
 40                                                                                                                                                                               
 41 void MakeCommandLineAndPrint()
 42 {
 43   char line[SIZE];
 44   const char* username = GetUsername();  
 45   const char* hostname = GetHostName();
 46   const char* cwd = GetCwd();
 47   SkipPath(cwd);
 48   sprintf(line,"[%s@%s %s]> ",username,hostname,strlen(cwd) == 1?"/":cwd + 1);
 49   printf("%s",line);
 50   fflush(stdout);
 51 }                                                                                                                                                                             
 52 
 53 int GetUserCommand(char command[] ,size_t n)
 54 {
 55   char* s = fgets(command,n,stdin);
 56   if(s == NULL) return -1;
 57   command[strlen(command) - 1] = ZERO; 
 58   return strlen(command);
 59 }
 60 
 61 void SplitCommand(char command[] , size_t n)
 62 {
 63   (void)n;
 64   gArgv[0] = strtok(command,SEP);
 65   int index = 1;
 66   // done, 故意写成=,表示先赋值，在判断. 分割之后，strtok会返回NULL，刚好让gArgv最后一个元素是NULL, 并且while判断结束
 67   while((gArgv[index++] = strtok(NULL,SEP)));
 68 } 
 69 
 70 //执行命令
 71 void ExecuteCommand()
 72 {
 73   pid_t id = fork();
 74   if(id == 0)
 75   {
 76     execvp(gArgv[0],gArgv);
 77     exit(errno);
 78   }
 79   else
 80   {
 81     int status = 0;
 82     pid_t rid = waitpid(id,&status,0);
 83     if(rid > 0)
 84     {
 85       lastcode = WEXITSTATUS(status);
 86       if(lastcode != 0) printf("%s:%s:%d\n",gArgv[0],strerror(lastcode),lastcode);
 87     }
 88   } 
 89 }
 90 
 91 char* GetHome()
 92 {
 93   char* home = getenv("HOME");
 94   return home;
 95 }
 96                                                                                                                                                                               
 97 
 98 void cd()
 99 {
100   const char* path = gArgv[1];
101   if(path == NULL) path = GetHome();
102   chdir(path);
103 
104   char temp[SIZE];
105   getcwd(temp,sizeof(temp));
106   snprintf(cwd,sizeof(cwd),"PWD=%s",temp);
107   putenv(cwd);
108 }
109 
110 //检查是否为内建命令 并单独执行
111 bool CheckBuildin()
112 {
113   bool yes = false;
114   //if语句判断即可，内建命令是有限的
115   if(strcmp(gArgv[0],"cd") == 0)
116   {
117     cd();
118     yes = true;
119   }
120   return yes;
121 }
122 
123 int main()
124 {
125   int quit = 0;
126 
127   while(!quit)
128   {
129 
130     //创建我们自己的命令行
131     MakeCommandLineAndPrint();
132     
133     //获取命令行信息
134     char usercommand[SIZE];
135     int n = GetUserCommand(usercommand,sizeof(usercommand));
136     if(n <= 0) return 1;
137     
138     //分割命令行信息
139     SplitCommand(usercommand, sizeof(usercommand));
140     
141     bool judge = CheckBuildin();
142     if(judge) continue;
143 
144     //执行命令
145     ExecuteCommand();
146   }
147 
148 
149   return 0;
150 }