【Linux】教你用进程替换制作一个简单的Shell解释器

本章的代码可以访问这里获取。

由于程序代码是一体的，本章在分开讲解各部分的实现时，代码可能有些跳跃，建议在讲解各部分实现后看一下源代码方便理解程序。

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一、观察Shell的运行状态

我们想要制作一个简单的Shell解释器，需要先观察Shell是怎么运行的，根据Shell的运行状态我们再去进行模拟实现。

我们可以先考虑下面的指令与Shell的互动：

我们仔细进行分析可以发现，Shell执行上面的命令时，可以被理解为下面的过程。

当然上面的命令都是普通命令，所以Shell都是通过创建子进程的方式来执行的，对于一些内建命令（Shell自己去执行命令）我们现在还不考虑，在后面的部分我们再进行进一步的讨论内建命令应该怎么去处理。

二、简单的Shell解释器制作原理

通过观察Shell的运行状态，我们知道然后Shell读取新的一行输入，建立一个新的子进程，在这个子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:

1. 获取命令行
2. 解析命令行
3. 建立一个子进程（fork）
4. 替换子进程（execvp），执行替换后的程序
5. 父进程等待子进程退出（wait）

1、获取命令行

我们在在Shell中输入的命令本质上就是输入一个字符串，因此我们想要获取命令行，可以先创建一个字符数组commandstr，然后使用C语言的fgets函数从键盘中进行读取数据到字符数组里面，这样我们就获取了一个命令行了。

注意：

1. 这里不能使用scanf函数 ,这里的命令会包含空格，会导致scanf读取不到完整的数据。
2. fgets函数会将我们输入的命令时的最后一个的\n符也给读取到字符数组内，我们需要特殊处理将\n进行用\0进行覆盖

//这里包含的头文件是我们整个程序需要用到的所有头文件
#include<stdio.h>
#include<unistd.h>
#include<assert.h>
#include<string.h>
#include<sys/types.h>
#include<sys/wait.h>
#include<stdlib.h>

//这里的N用于定义字符数组的大小
#define N 128

int main()
{
    
    
  //存储命令行的字符数组
  char commandstr[N] = "";
  
  //Shell要一直运行接受命令，所以这里必须是死循环！
  while(1)
  {
    
    
  	//模拟Shell的提示符
    printf("[hong@machine MiniShell]# ");

    //从标准输入流中读取字符串
    char* s = fgets(commandstr, sizeof(commandstr), stdin);
    assert(s); //判断fgets是否读取成功


    //处理\n   示例字符串：ls -a -l\n\0
    commandstr[strlen(commandstr) - 1] = '\0';
   }
  

2、解析命令行

虽然我们通过前一步已经拿到命令行，但是我们还不能直接使用，因为我们拿到的字符串中间可能有许多空格以及一些其他的问题，我们还需要将命令行的字符进行切割提取出我们想要的子串，这样才符合程序替换函数的要求。例如：将 ls -a -l提取成 ls ,-a , -l。

对于字符串的切割，我们可以使用C语言提供的strtok函数，由于切割以后我们的字符串从一个变成了多个，因此我们需要用一个字符串指针数组argv，存储每一部分切割后的首地址，同时这个argv也可以直接传递给execvp函数进行程序替换了。

//在全局域中 定义切割符
#define SEP " "

//main函数的外部 定义一个命令行切割函数
int split(char commandstr[], char* argv[])
{
    
    
  assert(commandstr);
  assert(argv);
  
  //第一次切割
  argv[0] = strtok(commandstr, SEP);
  if(argv[0] == NULL)
  {
    
    
  	//返回 -1表示异常退出
    return -1; 
  }

  //循环切割
  int i = 1;
  while((argv[i++] = strtok(NULL, SEP)));
  return 0;
}

//main函数内部，while循环上面定义切割后的字符指针数组
char* argv[N] ={
    
    NULL};


//while循环内部

	//切割字符串  例如将"ls -a -l " 变为 "ls" "-a" "-l"
    int n = split(commandstr, argv);
    if(n == -1)
    {
    
    
      //切割失败就终止本次循环
      continue;
    }

3、创建子进程 进行程序替换 父进程等待

创建子进程而我们可以使用fork函数进行创建，创建完以后进程的执行流由一个变成了两个，我们在子进程中进行程序替换可以使用execvp命令，同时我们的argv[0]就是程序名，argv中存储的就是命令按照什么方式进行执行。

最后我们的父进程可以在外面进行阻塞等待，然后获取子进程的退出码和退出信息。

//main函数内部，while循环上面定义退出码变量
 int last_status = 0;
 
//while循环内部

//创建子进程，进行命令处理
    pid_t id = fork();
    assert(id >= 0);

    if(id == 0)
    {
    
    
      //child process
      execvp(argv[0], argv);  
      //如果执行到这里说明程序替换失败  
      exit(-1);
    }
	
	//父进程等待子进程
    int status;
    int pid = waitpid(id, &status, 0); 
    //等待成功就提取退出码信息
    if(pid >= 0)
    {
    
    
      last_status = WEXITSTATUS(status);
    }
  }
  return 0;

4、实际运行

我们可以执行 ls pwd ps -axj命令 看一看效果。

二、对简单的内建命令进行处理

我们知道内建命令是让Shell自己执行的命令，而不是让子进程执行的命令,例如cd命令就是内建命令，因为我们要改变的是Shell自己的工作目录，而不是子进程的工作目录，类似的命令还有export env echo命令。

由于上面我们写的程序执行命令时都是交给子进程去做的，所以我们上面写的程序是没有办法执行内建命令的，或者说能执行内建命令，但不是我们想要的结果或目的。

所以接下来我们要对这个简单的Shell进行改造，让它能够执行一些简单的内建命令，还有刚刚我们的ls命令没有色彩，我们也要进行一些修改。

1、给ls命令加上色彩

在真正的Shell中我们执行的ls命令其实是ls --color=auto，ls被我们真正的Shell进行了起别名。

我们在运行我们自己制作的Shell时也可以加上--color=auto。

//此段代码应该在切割字符串之后

//argv[0]就是我们的命令名
if(strcmp(argv[0], "ls") == 0)
    {
    
    
      int pos = 0;
      //寻找指针数组的结尾
      while(argv[pos++]);
      //在NULL位置加上 --color=auto
      argv[pos - 1] = "--color=auto";
      //将后一个位置置空
      argv[pos] = NULL;
    }

这样以后我们在我们自己制作的Shell中执行ls命令时也会由颜色了！

2、支持cd命令

对于cd命令如果让父进程进行执行，我们可以调用系统调用chdir我们只需要传递一个参数：路径字符串，当执行成功时会返回0，执行失败会返回-1，并设置错误码。

//此段代码应该在ls添加颜色之后

else if(strcmp(argv[0], "cd") == 0)
    {
    
    
      //argv[1]里面存放的是路径字符串
      if(argv[1] == NULL)
      {
    
    
        printf("没有正确的路径！\n");
        //设置错误码
        last_status = -1;
        continue;
      }
      	//执行系统调用改变父进程的工作目录
        chdir(argv[1]);
        continue;
    }

3、支持export命令

export命令可以将一个本地变量加入到环境变量表中，我们让我们自己制作的Shell完成expoprt命令可以用C语言提供的函数putenv函数，但是在向环境变量表加入新的环境变量时，我们要维护好我们加入到环境变量，这个环境变量不能够被轻易的覆盖，否则环境变量表在找我们的环境变量时就会找不到，所以我们还要创建一个我们自己维护的二维数组。

//在全局域中定义
// 自己维护的二维数组最多能向环境变量表几个自定义的环境变量
#define MAX 64

//main函数内部，while循环上面定义
//指向下一个要添加的环境变量的位置
 int env_index = 0;
//要维护的二维数组
 char envstr[MAX][N];

//此段代码应该在ls添加颜色之后
 else if(strcmp(argv[0], "export") == 0)
    {
    
    
    //声明putenv函数否则会编译器会有警告
      extern int putenv(char *string); 
      //argv[1]位置应该是环境变量
      if(argv[1] == NULL)
      {
    
    
        printf("没有输入变量！\n");
        last_status = -1;
        continue;
      }
      //将argv[1]位置的环境变量，拷贝到env_str中，否则下一次解析的命令会覆盖环境变量
      strcpy(envstr[env_index], argv[1]);
      //将环境变量导入环境变量表
      putenv(envstr[env_index++]);
    }

4、支持env命令

对于env命令我们只需要写一个打印环境变量表的函数就能完成此命令了。

//main函数的外部 定义一个打印环境变量表的函数

void showEnv()
{
    
    
  extern char** environ;
  int i = 0;
  while(environ[i])
  {
    
    
    printf("%d : %s\n", i, environ[i++]);
  }
}

//此段代码应该在ls添加颜色之后
 else if(strcmp(argv[0], "env") == 0)
    {
    
    
      showEnv();
      continue;
    }

5、支持echo命令

echo命令可以用于打印环境变量，也可以打印退出码，这取决于$后面是不是?是?我们就可以打印last_status，不是我们就用getenv命令拿到环境变量的内容。

//此段代码应该在ls添加颜色之后
else if(strcmp(argv[0], "echo") == 0)
    {
    
    
      if(*argv[1] == '$')
      {
    
    
        if(*(argv[1] + 1) == '?')
        {
    
    
          printf("process exit code %d\n", last_status);
          continue;
        }
        else
        {
    
    
          char* str = getenv(argv[1] + 1);
          printf("%s\n",str);
          continue;
        }
      }
    }