打造你的专属Shell：从零实现命令行解释器

自定义shell命令行解释器

实现命令行提示符

我们要实现一个自定义的shell，首先我们要实现一下命令行提示符吧！

我们知道这个提示符的内容为用户@登录型号 工作路径
我们学习过环境变量，现在进程会继承bash的环境变量，我们知道这些信息都可以在环境变量中获取这些数据！再通过getenv系统调用来获取这些数据！


现在有了命令行提示符，那么接下来要bash要做什么呢？bash需要阻塞等待用户输入命令！

输入操作

所以我们现在要定义一个字符数组
等待用户输入，可以用scanf输入吗？可以但是不合适！因为scanf是以空格为分隔符，会把命令分隔开来"ls" "-a" "-l"，而我们用户输入的命令，对于shell来说是字符串"ls -a -l"，所以最好用fget读一行、gets读取一行字符串这类

我们代码是C/C++混编，使用char字符函数，是为了解决一些字符串接口解释一下，因为要讲解一下系统调用，而系统调用是C语言编写的，使用纯C++可能会要去适配接口！比如接口是指针，上层是string，这个时候接口就要适配，所以讲讲C风格的字符串讲讲！

我们这里输入使用fgets(fgets是 C 语言里最安全、最常用的读取一行字符串函数，专门用来从文件 / 标准输入读数据)

这样就可以获得整个字符串的内容而不是字符串的一部分内容，用fgets在标准输入读取一行字符串！
输入完后就要对输入结果进行判断，c指针为NULL说明输入失败，返回1
输入成功，我们就回显一下输入的数据！


这样就完成了bash输入的操作

输入多余'\n'字符去除

但是我们看到我们输出的结果还多了一个回车，这是因为我们输入数据的时候是通过回车结束的，此时字符串为"ls\n"，所以我们要想办法去掉这个回车！


这样就清理掉了！

我们这里commandline长度减一会不会遇到越界情况，答案是不会，我们输入命令，最少我们会按一个'\n'吧，这样我们数组长度至少为1，现在长度减一刚刚好为空，没有影响！

优化代码

这样写不太优雅，我们来优化一下代码！

设置创建命令行提示符函数

可以设置一个void Make_Cmd_Prompt (char cmd_prompt[],int size);函数！

这里snprintf是最安全、最常用的格式化拼接字符串函数，
用法和printf一样，只是输出到字符串了！
snprintf(目标，大小，格式，...)

这样就创建了一个命令行提示符了！

设置打印命令行提示符函数

打印命令行提示符，外面先定义一个字符数组！
调用创建命令行提示符函数，以此获得命令行提示符！再printf输出命令行提示符，我们要去输出命令行提示符不能换行，所以释放缓冲区！

设置获取用户命令函数

获取用户目录的操作也可以封装为一个函数

优化后

循环运行

我们知道，shell命令会一直运行，永远不退出，直到系统退出！
所以shell循环执行！shell本质上是死循环，会不断循环的接收用户的命令并执行！

分析命令行！(strtok切割字符串)

我们获得了命令，我们学习过进程替换，我们知道替换程序是需要获取以空格为分隔符获得的字符串字串！所以需要分析命令行！我们需要制作命令行参数列表！方便快速的查找命令行参数！ls -a -l--->ls-a-l

设置CommandParse函数

将获取的命令行传入函数中，通过函数解析命令行，获取命令行参数列表和命令行参数个数传给子进程做准备！

我们分析字符串，可以将指针指向第一个元素，将空格替换成\0,在命令行参数列表结尾设为NULL可以实现
但这里我们使用一个接口来实现！strtok

str为被切割的字符串，delim为分隔符，

注意事项：字符串第一次切割要提供str地址，但是如果想继续切str，下次调用就不用提供地址！

g_argv和g_argc都是全局数据，使用直接调用
因为strtok的用法问题，对同一个字符串切割，第一次要传地址，后面不需要传的用法，我们先通过传地址，首次切割字符串，并将获得的字符串指针赋值到g_argv中，并且g_argc做++，之后就可以循环切割，并做赋值工作，注意，这里是用=而不是==，着代表着循环条件为g_argv[g_argc++]的数据，当字符串被切割到最后，返回为NULL时，这个NULL会赋值到g_argv中，以此循环结束，我们也获得分析号的命令行参数！

我们来测试一下，输出命令行参数，看看结果如何？

可以看到成功实现了命令行分析！

但是我们发现g_argc的数量不太对呀！
命令行参数的数量为3个，但是g_argc的数量为4，因为strtok的时候，NULL插入到g_argv的时候也算成一个参数了，使用要进行修正！

这样的成功了！

执行命令

创建子进程，进行程序替换

为了不妨碍父进程继续后续的工作，我们要创建子进程，让子进程完成命令的任务
而父进程只需要waitpid等待子进程完成，获取子进程运行结果，回收子进程PCB！
完成父进程的操作，接下来继续子进程的操作！
子进完成任务，肯定要进行进程程序替换，用哪个接口呢？我们已经准备好了命令行参数列表g_argv，我们并没要提供新的环境变量，并且我们没有准确的程序文件路径，所以我想提供文件名，让编译器去环境变量找这个文件！
所以进程程序替换的接口在这里的最佳选择是execvp！

所以我们自定义的shell成功了！
我们将执行命令部分封装起来

做路径切割

我们通过GetPwd会获得工作目录，但是我们想只留当前的目录！这个时候我们就需要切割一下，我们使用string，通过rfind逆向去查找第一个"/"并把位置通过pos存储,找到后，使用substr来获取pos+1（pos后面是/XXX）后面的字符串！

cd这类内建命令未实现

为什么呢？

首先，我们实现shell功能的地方是在子进程！我们cd也只是修改了子进程的cwd，父进程的未被修改！ 但是这里cd需要更改的是父进程的cwd路径！只有父进程的pwd修改了，往后创建的子进程才会在新路径下运行！因为所有子进程的环境变量都是拷贝父进程的！
所以cd操作不是让子进程来操作，而是让父进程来亲自操作，修改父进程的env，之后的子进程cwd也会被修改！
这类需bash完成的命令叫做内建命令！，所以我们需要在shell中实现内建命令，要做一定的判断！

实现cd

先做对命令的判断，我们判断命令是否是cd，如果是就continue，不需要执行下面的子进程实现命令的任务！

然后我们来解决如何在bash内实现cd命令，我们来了解一个接口！chdir(change dir)，chdir()支持相对路径，内核会自动根据进程当前的工作目录（PCB 里的 CWD）解析相对路径，最终修改成功。

我们来分析一下cd命令的不同情况！
我们使用cd命令可能会提供绝对路径或者相对路径！或者cd后不带其他参数，此时cd会默认回到用户家目录！

我们判断出命令为cd内建命令，我们就在判断后就执行对应的命令，考虑到cd单独命令的情况做一个判断，将路径改为家目录！
参数数量大于1就直接

cd命令的功能实现！

更新命令行提示符

注意，cd完后要更新命令行提示符！不然不符合shell的功能！我们要知道，是先程序的路径改变，再pwd改变！
所以我们现在是先改变了路径，但是没有修改pwd环境变量，所以要能够正确使用，还需要去修改环境变量！
所以我们通过环境变量获取工作目录这个方法是不太好的，我们有更好的方法，使用getcwd()系统调用，获取进程PCB内的cwd工作路径，chdir修改工作目录时会修改PCB内的cwd



我们命令行提示符成功变化路径，但是我们发现环境变量里的pwd依旧没有改变，我们bash是可以改变的！

所以我们在内部不仅要获得cwd，还要修改环境变量pwd！
我们修改环境变量，就使用系统调用putenv！


我们就在getpwd函数内修改环境变量，设置两个字符串，cwd，cwdenv，cwd获取工作路径的！cwdenv是形成PWD="cwd"的字符串，用于putenv去修改PWD的！


修改成功！

我们现在就成功实现了内建命令！

echo 的内建命令（$?$env）

我们再实现一下echo $?的操作，获取最近程序的退出结果！

其实再shell内有点命令会有两份！命令可能有即是内建命令又是外部命令！

cd命令shell内部有内建命令，再外部磁盘中也有cd程序，这是为了能让子进程可以认识cd命令，可以使用cd命令而设置的外部程序！

我们再实现一下echo $env这个功能吧！

添加环境变量表

bash有两个表，环境变量表和命令行参数表，我们已经有了命令行参数表，现在就需要添加环境变量，环境变量表是bash在启动时自动使用环境变量表去初始化！
我们做不到从配置文件里去读取环境变量，那个配置文件是一个shell脚本！要读取这个脚本我们自己要新写门语言的！所以我们现在就直接从父shell中获取环境变量！
我们现在就创建环境变量表，我们通过environ来获取父shell提供的环境变量表！

我们调用env，可以看到我们测试的环境变量，也实现了环境变量的导入！

而argv和env都是全局表，都可以被子进程继承，而子进程做进程程序替换，不保留命令行参数表和环境变量表！所以子进程会共享！

alias内建命令

使用unordered_map制作别名映射表

综上，bash说白了就是命令行解释器！

• 获取命令行
• 解析命令行
• 建立一个子进程
• 替换子进程
• 父进程等待子进程退出
  以此循环往复！

源码

#include <cstdio> #include <cstring> #include <cstdlib> #include <iostream> #include <unistd.h> #include <sys/types.h> #include <sys/wait.h> #define COMMAND_SIZE 1024 #define FORMAT "[%s@%s:%s]#" //命令行参数表 #define MAXARGC 128 char * g_argv[MAXARGC]; int g_argc; //环境变量表 #define MAX_ENVS 100 char * g_env[MAX_ENVS]; int g_envs = 0; /// /// for test char cwd[1024]; char cwdenv[1024]; /// /// // last exit_code int last_code = 0; //注 意 清 理 ！ /// Get操 作 /// const char * GetUserName() { const char * ret = getenv("USER"); return ret == NULL ? "None" : ret; } const char * GetHostName() { const char *ret = getenv("HOSTNAME"); return ret == NULL ? "None" : ret; } const char * GetPwd() { //const char *ret = getenv("PWD"); const char *ret = getcwd(cwd,sizeof(cwd)); if(ret != NULL) { snprintf(cwdenv,sizeof(cwdenv),"PWD=%s",cwd); //上面这样做不是很好！ //我们的环境变量cwdwnv不应该在全局空间中！应该被维护在自己的环境变量表中，这里更新环境变量，应该是去环境变量表内查找对应环境变量，存在则更新，不存在则添加！ putenv(cwdenv); } return ret == NULL ? "None" : ret; } const char * GetHome() { const char *ret = getenv("HOME"); return ret == NULL ? "None" : ret; } /// 获取环境变量表 /// void InitEnv() { extern char **environ; //environ指针是系统定义全局二级指针，要通过extern告诉编译器 //初 始 化 环 境 变 量 表 memset(g_env,0,sizeof(g_env)); g_envs = 0; // 本 来 要 从 配 置 文 件 中 获 取 的，我 们 从 父 shell获 取 for(int i =0; environ[i] ;i++) { //1.1申 请 空 间 g_env[i] = (char*)malloc(strlen(environ[i])+1); strcpy(g_env[i],environ[i]); g_envs++; } g_env[g_envs++] = "HAHA=for_test";// for_test g_env[g_envs] = NULL; //2. 导入环境变量 for(int i = 0;g_env[i];i++) { putenv(g_env[i]); } environ = g_env; } /// cd命令 /// bool Cd() { if(g_argc == 1) { std::string home = GetHome(); if(home.empty())return true; chdir(home.c_str()); } else if(g_argc > 1){ std::string where = g_argv[1]; //cd - cd ~ chdir(where.c_str()); } return true; } /// echo命令 /// bool Echo() { if(g_argc == 2) { //echo "hello world" 不处理，直接输出字符串 //echo $? //echo $PATH std::string opt = g_argv[1]; if( opt == "$?") { std::cout <<last_code<<std::endl; last_code = 0; //清零 } else if(opt[0] == ' ) { std::string env_name = opt.substr(1); std::string env_value = getenv(env_name.c_str()); if(env_value.c_str()){ std::cout<< env_value.c_str()<<std::endl; } } else { std::cout << opt << std::endl; } return true; } return false; } /// 获得目录 /// std::string DirName(const char *pwd) { #define SLASH "/" std::string dir = pwd; if(dir == SLASH) return SLASH; auto pos = dir.rfind(SLASH); //在string中逆向查找 /s/a/ls if(pos == std::string::npos)return "BUG"; return dir.substr(pos+1); } /// 制作命令行提示符 /// void Make_Cmd_Prompt(char cmd_Prompt[],int size) { snprintf(cmd_Prompt,size,FORMAT,GetUserName(),GetHostName(),DirName(GetPwd()).c_str()); } /// 输出命令行提示符 /// void Print_Cmd_Prompt() { char prompt[COMMAND_SIZE]; Make_Cmd_Prompt(prompt,sizeof(prompt)); printf("%s",prompt); fflush(stdout); } /// 输入命令 /// bool Cin_CommandLine(char *out,int size) { char *c = fgets(out,size,stdin); if(c == NULL)return false; out[strlen(out)-1] = 0; //清 理 \n if(strlen(out) == 0)return false; return true; } /// 切割命令行 /// bool CommandParse(char *commandline) { #define SEP " " g_argc = 0; g_argv[g_argc++] = strtok(commandline,SEP); //首 次 切 割 while((bool)(g_argv[g_argc++] = strtok(NULL,SEP))); //循 环 切 割 g_argc--; return g_argc > 0 ?true:false; } /// /// fot test void PrintArgv() { for(int i = 0; g_argv[i];i++) { printf("argv[%d]--> %s\n",i,g_argv[i]); } printf("argc:%d\n",g_argc); } /// /// /// 普通命令执行 /// int Execute() { pid_t id = fork(); if(id == 0) { //child //进 程 替 换 execvp(g_argv[0],g_argv); exit(1); } // father int wstatus=0; pid_t rid = waitpid(id,&wstatus,0); //(void)rid; //使用一下防止警告 if(rid > 0) { last_code = WEXITSTATUS(wstatus); } return 0; } /// 检测内建命令 /// bool CheckAndExecBuiltin() { //如何检测内建命令呢？ std::string cmd = g_argv[0]; if(cmd == "cd") { Cd(); return true; } else if(cmd == "echo") { return Echo(); } //else if(cmd == "export") //{ // Export();//分析export后面参数，获取Key和 Value值，去环境变量表中查找，找不到就新增 //} return false; } /// main 主函数 /// int main() { //shell 启 动 的 时 候 ， 从 系 统 中 获 取 环 境 变 量 // 我们的环境变量信息应该从父shell统一来 InitEnv(); while(1) { //1、输 出 命 令 行 提 示 符 Print_Cmd_Prompt(); //2、获 取 用 户 输 入 的 命 令 char commandline[COMMAND_SIZE]; if(!Cin_CommandLine(commandline,sizeof(commandline)))continue; //3、分 析 命 令 行 "ls -a -l" --> "ls" "-a" "-l" //全 局 的 命 令 行 参 数 表 if(!CommandParse(commandline))continue; //PrintArgv(); // 4、检 测 并 处 理 内 建 命 令 if(CheckAndExecBuiltin())continue; //不需要再让子进程创建程序完成命令！ //5、执 行 命 令 //创建子进程 Execute(); } //cleanup(); }