实现思路
1. 交互 获取命令行
显示提示符和获取用户输入
Shell本质是一个死循环,不断地显示提示符和获取用户输入。
memset
函数
memset
函数用于将一段内存区域设置为指定的值。它的原型是:
void *memset(void *s, int c, size_t n);
参数说明:
s
:指向要填充的内存区域的指针。c
:要设置的值(以无符号字符形式传递,但实际存储在内存中的每个字节的值是该无符号字符的值)。n
:要设置的字节数。
示例用法:
char command_line[NUM];
memset(command_line, '\0', sizeof(command_line) * sizeof(char));
这里的代码表示将
command_line
数组的每个字节都设置为
\0
(空字符),确保初始化整个数组。
fgets
函数
fgets
函数用于从指定的输入流读取字符串。它的原型是:
char *fgets(char *s, int n, FILE *stream);
参数说明:
s
:指向存储读取数据的字符数组的指针。n
:要读取的最大字符数(包括终止字符\0
)。stream
:输入流,通常是stdin
用于标准输入。
示例用法:
fgets(command_line, NUM, stdin);
这行代码表示从标准输入读取最多
NUM-1
个字符(预留一个字符用于终止字符
\0
)到
command_line
数组中。
综合示例
结合起来,代码片段如下所示:
char command_line[NUM];
memset(command_line, '\0', sizeof(command_line) * sizeof(char));
fgets(command_line, NUM, stdin);
这段代码的作用是:
- 使用
memset
函数将command_line
数组的所有字节都设置为\0
,即初始化数组。- 使用
fgets
函数从标准输入读取最多NUM-1
个字符并存储在command_line
数组中。
这样处理后,
command_line
数组会包含从输入读取的字符串,并且如果字符串的长度小于
NUM
,数组中剩余的字节会保持为
\0
。
以下是实现这两个步骤的代码:
#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#define NUM 1024
char command_line[NUM]; // 用来接收命令行内容
int main(void) {
while (1) {
/* Step1:显示提示符 */
printf("[用户@主机 当前目录] # ");
fflush(stdout);
/* Step2:获取用户输入 */
memset(command_line, '\0', sizeof(command_line));
fgets(command_line, NUM, stdin); // 从键盘获取输入
command_line[strlen(command_line) - 1] = '\0'; // 消除 '\n'
printf("%s\n", command_line);
}
}
通过上述代码,我们可以实现提示用户输入,并获取用户输入。
注意点:
执行发现有空行怎么办
我们利用 fgets 函数从键盘上获取,标准输入 stdin,获取到 C 风格的字符串,
注意默认会添加 \0 ,我们先把获取到的结果 command_line 打印出来看看:
因为 command_line 里有一个 \n,我们把它替换成 \0 即可:
command_line[strlen(command_line) - 1] = '\0'; // 消除 '\0'
2. 子串分割 解析命令行
获取用户输入后,我们需要将接收到的字符串拆分为命令及其参数。
将接收到的字符串拆开
通过
strtok
函数,我们可以将一个字符串按照特定的分隔符打散,依次返回子串:
#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#define NUM 1024
#define SEP " "
#define SIZE 128
char command_line[NUM];
char* command_args[SIZE];
int main(void) {
while (1) {
/* 显示提示符和获取用户输入 */
printf("[用户@主机 当前目录] # ");
fflush(stdout);
memset(command_line, '\0', sizeof(command_line));
fgets(command_line, NUM, stdin);
command_line[strlen(command_line) - 1] = '\0';
/* 将接收到的字符串拆开 */
command_args[0] = strtok(command_line, SEP);
int idx = 1;
while ((command_args[idx++] = strtok(NULL, SEP)));
/* 打印拆分结果 */
for (int i = 0; i < idx - 1; i++) {
printf("%d : %s\n", i, command_args[i]);
}
}
}
通过这段代码,我们可以将输入的命令行字符串拆分成多个子字符串,并打印出来。
strtok
函数的原型为:
char *strtok(char *str, const char *delim);
参数说明:
str
:要进行分割的字符串,第一次调用时传入要分割的字符串,后续调用时传入 NULL 即可。delim
:分隔符,用于指定分割字符串的字符。
示例用法
在代码中,使用了
strtok
函数将
command_line
字符串按照
SEP
分隔符进行切割,并将每个子字符串存储在
command_args
数组中。
command_args[0] = strtok(command_line, SEP);
int idx = 1;
这里的代码首先将
command_line
字符串按照
SEP
分隔符切割成子字符串,并将第一个子字符串的指针存储在
command_args[0]
中。然后,
利用循环逐个获取剩余的子字符串,并将它们存储在
command_args
数组中(使用
idx
来索引)。
3. 指令的判断 内建命令
为了实现一些特定功能,如路径切换,我们需要在Shell中实现内建命令。
内建命令:实现路径切换
#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#define NUM 1024
#define SEP " "
#define SIZE 128
char command_line[NUM];
char* command_args[SIZE];
/* Shell 内置函数: 路径跳转 */
int ChangeDir(const char* new_path) {
return chdir(new_path);
}
int main(void) {
while (1) {
/* 显示提示符和获取用户输入 */
printf("[用户@主机 当前目录] # ");
fflush(stdout);
memset(command_line, '\0', sizeof(command_line));
fgets(command_line, NUM, stdin);
command_line[strlen(command_line) - 1] = '\0';
/* 将接收到的字符串拆开 */
command_args[0] = strtok(command_line, SEP);
int idx = 1;
while ((command_args[idx++] = strtok(NULL, SEP)));
/* 判断并执行内建命令 */
if (strcmp(command_args[0], "cd") == 0 && command_args[1] != NULL) {
ChangeDir(command_args[1]);
continue;
}
/* 执行普通命令 */
}
}
这段代码通过判断输入的命令是否为
cd
来执行路径切换,而无需创建子进程。
getcwd用于获取当前工作目录(当前目录)的路径。该函数的声明如下:
char *getcwd(char *buf, size_t size);
函数参数说明:
- buf:指向存储当前工作目录路径的缓冲区
- size:缓冲区的大小
函数返回值: 如果函数调用成功,则返回指向存储当前工作目录路径的缓冲区的指针;如果函数调用失败,则返回NULL。
通过调用getcwd函数,可以获取当前程序所在的工作目录路径。
chdir用于改变当前工作目录(当前目录)的路径。该函数的声明如下:
int chdir(const char *path);
函数参数说明:
- path:要设置为当前工作目录的路径
函数返回值: 如果函数调用成功,则返回0;如果函数调用失败,则返回-1,并设置errno来指示错误的类型。
4. 普通命令的执行
最后,我们实现普通命令的执行,包括创建子进程并执行用户输入的命令。
创建进程 & 程序替换
#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/wait.h>
#include <sys/types.h>
#define NUM 1024
#define SEP " "
#define SIZE 128
char command_line[NUM];
char* command_args[SIZE];
int main(void)
{
while (1) {
/* Step1:显示提示符 */
printf("[lvy@我的主机名 当前目录] # ");
fflush(stdout);
/* Step2:获取用户输入 */
memset (
command_line,
'\0',
sizeof(command_line) * sizeof(char)
);
fgets(command_line, NUM, stdin); /* 从键盘获取,标准输入,stdin
获取到 C 风格的字符串,默认添加 '\0' */
command_line[strlen(command_line) - 1] = '\0'; // 消除 '\0'
/* Step3: 将接收到的字符串拆开 - 字符串切分 */
command_args[0] = strtok(command_line, SEP);
int idx = 1;
/* 这里的 = 是故意这么写的,因为 strtok 截取成功返回字符串起始地址
截取失败,返回 NULL */
while (command_args[idx++] = strtok(NULL, SEP));
//我们来测试一下看看
// for (int i = 0; i < idx; i++) {
// printf("%d : %s\n", i, command_args[i]);
// }
// printf("%s\n", command_line);
/* Step4. TODO */
/* Step5. 创建进程,执行 */
pid_t id = fork();
if (id == 0) {
/* child */
/* Step6: 程序替换 */
execvp (
command_args[0], // 保存的是我们要执行的程序名字
command_args
);
exit(1); // 只要执行到这里,子进程一定是替换失败了,直接退出。
}
/* Father */
int status = 0;
pid_t ret = waitpid(id, &status, 0);
if (ret > 0) { // 等待成功
printf("等待成功!sig: %d, code: %d\n", status&0x7F, (status>>8)&0xFF);
}
} // end while
}
通过上述代码,我们可以创建一个进程来执行用户输入的命令,并等待子进程结束。
给命令带颜色
为了增强Shell的用户体验,可以给一些常用命令添加颜色,例如
ls
命令:
/* 将接收到的字符串拆开 */
command_args[0] = strtok(command_line, SEP);
int idx = 1;
while ((command_args[idx++] = strtok(NULL, SEP)));
/* 给 ls 命令添加颜色 */
if (strcmp(command_args[0], "ls") == 0) {
command_args[idx++] = (char*)"--color=auto";
}
以上实现了一个简单的Shell,具备了基本的提示符显示、用户输入获取、命令解析、内建命令和普通命令的执行功能。
内建命令 环境变量
/* Shell 内置函数: 路径跳转 */
int ChangeDir(const char* new_path) {
chdir(new_path);
return 0; // 调用成功
}
int main(void)
{
...
/* Step4. TODO 编写后面的逻辑,内建命令 */
if (strcmp(command_args[0], "cd") == 0 && command_args[1] != NULL) {
ChangeDir(command_args[1]); // 让调用方进行路径切换
continue;
}
...
}
保存环境变量的字符串,不能是易变的,所以 strcpy mycommand,实现与argv的分离
补充:vim 文本替换
如何快速将mycmd换为myshell呢
通过如下操作
: %s/mycmd/myshell/g
就可以啦
细节设置的思考,在最后一部分,让我们先来看一下整体
整体代码
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <assert.h>
#include <unistd.h>//创建子进程
#include <stdlib.h>//这些文件都是什么意思
#include <sys/types.h>
#include <sys/wait.h>
#define LEFT "["
#define RIGHT "]"
#define LABLE "#"
#define DELIM " \t"
#define LINE_SIZE 1024
#define ARGC_SIZE 32
#define EXIT_CODE 44
int lastcode = 0;
int quit = 0;
extern char **environ;
char commandline[LINE_SIZE];
char *argv[ARGC_SIZE];//存储切割之后的命令行
char pwd[LINE_SIZE];
// 自定义环境变量表
char myenv[LINE_SIZE];
// 自定义本地变量表
const char *getusername()
{
return getenv("USER");
}
const char *gethostname()
{
return getenv("HOSTNAME");
}
void getpwd()
{
getcwd(pwd, sizeof(pwd));//获取当前工作目录
}
void interact(char *cline, int size)//交互
{
getpwd();
printf(LEFT"%s@%s %s"RIGHT""LABLE" ", getusername(), gethostname(), pwd);
char *s = fgets(cline, size, stdin);输入流进行输入
assert(s);//断言不为空
(void)s;//调用s避免报错
// "abcd\n\0"
cline[strlen(cline)-1] = '\0';//取消自动换行
}
// ls -a -l | wc -l | head
int splitstring(char cline[], char *_argv[])
{
int i = 0;
argv[i++] = strtok(cline, DELIM);//区分全局变量和形参_
while(_argv[i++] = strtok(NULL, DELIM)); // 故意写的=
//NULL的设置才能实现往后移的切割
return i - 1;//去除NULL
}
void NormalExcute(char *_argv[])
{
pid_t id = fork();
if(id < 0){
perror("fork");
return;
}
else if(id == 0){
//让子进程执行命令
//execvpe(_argv[0], _argv, environ);
execvp(_argv[0], _argv);
//系统调用
exit(EXIT_CODE);
}
else{
int status = 0;
pid_t rid = waitpid(id, &status, 0);
if(rid == id)
{//返回正确执行
lastcode = WEXITSTATUS(status);
}
}
}
//切换路径,内建命令
//shell执行的内建命令,一个一个判断
int buildCommand(char *_argv[], int _argc)
{
if(_argc == 2 && strcmp(_argv[0], "cd") == 0){
chdir(argv[1]);//切换路径的函数
getpwd();//获取当前路径
sprintf(getenv("PWD"), "%s", pwd);
return 1;
}
//导入环境变量export
else if(_argc == 2 && strcmp(_argv[0], "export") == 0){
strcpy(myenv, _argv[1]);//为什么要进行一个拷贝 是什么意思呢!!!!
putenv(myenv);//argv 是我们定义的,每次都是变化的
//所以不要写我们的地址,要提字符串的地址
return 1;
}
else if(_argc == 2 && strcmp(_argv[0], "echo") == 0){
if(strcmp(_argv[1], "$?") == 0)
{
printf("%d\n", lastcode);//查看退出码
lastcode=0;
}
else if(*_argv[1] == '$'){//打印环境变量
char *val = getenv(_argv[1]+1);//获取
if(val) printf("%s\n", val);
}
else{
printf("%s\n", _argv[1]);
}
return 1;
}
// 特殊处理一下ls
if(strcmp(_argv[0], "ls") == 0)
{
_argv[_argc++] = "--color";
_argv[_argc] = NULL;
}
return 0; //带有颜色之后返回,再执行普通命令
}
int main()
{
while(!quit){
//1.许多软件启动起来就是死循环
// 2. 交互问题,获取命令行, ls -a -l > myfile / ls -a -l >> myfile / cat < file.txt
interact(commandline, sizeof(commandline));
//对函数做了一下封装
// commandline -> "ls -a -l -n\0" -> "ls" "-a" "-l" "-n"
// 3. 子串分割的问题,解析命令行
int argc = splitstring(commandline, argv);
//如何将字串打散呢
//strtok需要循环调用
//while(argv[i++]=strtok(commandline,DELIM);//故意写的等号
if(argc == 0) continue;
// 4. 指令的判断
// debug
//for(int i = 0; argv[i]; i++) printf("[%d]: %s\n", i, argv[i]);
//内键命令,本质就是一个shell内部的一个函数
int n = buildCommand(argv, argc);
// ls -a -l | wc -l
// 4.0 分析输入的命令行字符串,获取有多少个|, 命令打散多个子命令字符串
// 4.1 malloc申请空间,pipe先申请多个管道
// 4.2 循环创建多个子进程,每一个子进程的重定向情况。最开始. 输出重定向, 1->指定的一个管道的写端
// 中间:输入输出重定向, 0标准输入重定向到上一个管道的读端 1标准输出重定向到下一个管道的写端
// 最后一个:输入重定向,将标准输入重定向到最后一个管道的读端
// 4.3 分别让不同的子进程执行不同的命令--- exec* --- exec*不会影响该进程曾经打开的文件,不会影响预先设置好的管道重定向
// 5. 普通命令的执行
if(!n) NormalExcute(argv);//让命令0的时候执行
}
return 0;
}
重点思考
1.getenv和putenv是什么意思
getenv
函数用于获取指定环境变量的值。它的函数定义如下:
char *getenv(const char *name);
参数:
name
:要获取的环境变量的名称。
返回值:
- 如果指定的环境变量存在,那么返回一个指向该环境变量值的指针。- 如果指定的环境变量不存在,则返回
NULL
。
- 如果指定的环境变量存在,那么返回一个指向该环境变量值的指针。- 如果指定的环境变量不存在,则返回
以下是一个使用
getenv
函数的示例:
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
int main() {
char *path = getenv("PATH");
if (path != NULL) {
printf("PATH environment variable: %s\n", path);
} else {
printf("PATH environment variable not found.\n");
}
return 0;
}
成功实现对环境变量的调用啦
putenv函数
putenv
函数用于设置环境变量。它的函数定义如下:
int putenv(char *string);
参数:
string
:形式为"name=value"
的字符串,用于设置具体的环境变量及其值。
返回值:
- 成功时返回0。- 失败时返回非零值。
以下是一个使用
putenv
函数的示例:
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
int main() {
char env_str[] = "MY_ENV=hello_world";
if (putenv(env_str) == 0) {
printf("Environment variable set successfully.\n");
} else {
perror("putenv");
return 1;
}
char *my_env = getenv("MY_ENV");
if (my_env != NULL) {
printf("MY_ENV: %s\n", my_env);
} else {
printf("MY_ENV environment variable not found.\n");
}
return 0;
}
注意事项
- 内存管理:
getenv
返回的指针指向的是环境变量的值,不能直接修改此值,否则可能导致未定义行为。-putenv
函数参数所指向的字符串在函数调用后仍需存在,因为putenv
不会复制这个字符串。因此传递给putenv
的字符串应始终位于可修改的全局或堆内存中,而不是局部变量中。
- 线程安全性:
getenv
和putenv
函数在某些实现中不是线程安全的,特别是当修改同一个环境变量时。建议在多线程环境中使用setenv
和unsetenv
函数,它们是现代C库中提供的线程安全的替代函数。
总结
getenv
和
putenv
是C语言中用于获取和设置环境变量的基本函数。通过了解并正确使用它们,可以更好地管理进程环境。
2.代码extern char **environ;
extern char **environ;
是C语言中的全局变量声明,用于访问当前进程的环境变量。为了理解这一行代码,我们需要理清以下几个关键概念:
环境变量的存储
在Unix和类Unix操作系统(如Linux)中,环境变量是一组键值对(例如
PATH=/usr/bin
),用于向进程传递配置信息。每个环境变量项以字符串的形式存储在一个全局变量数组中。这个数组在进程启动时由操作系统初始化,并且每个程序都可以访问和修改它。
环境变量在内存中的表示
在内存中,环境变量通常表示为一个字符串数组,每个字符串保存一个环境变量。例如:
PATH=/usr/bin
HOME=/home/user
USER=user
...
这些字符串指针存储在一个全局变量数组中,即
char **environ
。
extern关键字
extern
关键字用于声明一个全局变量,但不定义它。它告诉编译器这个变量是在别处(比如另一个源文件或由操作系统提供)定义的。因此,
extern char **environ;
仅仅是一个声明,用来告知编译器这个变量在别处已经定义过,可以在当前文件中使用它。
为什么这样写?
在标准C库中,
environ
变量实际上在系统库中已经定义,我们只需要在我们的程序中声明一下即可使用。这种方式使我们能够访问和操作环境变量。
这里是
extern char **environ;
的具体含义:
- 声明:它声明了一个外部变量
environ
,是一个指向字符指针的指针。 - 外部定义:实际的环境变量数组由操作系统初始化,并定义在某个系统库中。
- 全局访问:通过这个声明,我们可以在任何源文件中访问和操作环境变量。
示例
下面是一个具体的例子,展示了如何使用
environ
来访问并打印所有环境变量:
#include <stdio.h>
// 声明外部环境变量数组
extern char **environ;
int main(void) {
// 指向环境变量数组的指针
char **env = environ;
// 遍历并打印所有环境变量
while (*env) {
printf("%s\n", *env);
env++;
}
return 0;
}
就可以成功调用所有环境变量啦
总结
extern char **environ;
这一行代码的作用是声明一个指针数组,用于访问当前进程的环境变量。通过这种方式,我们可以在C程序中方便地读取和操作环境变量。
3.内建命令是什么
内建命令是指直接内置在操作系统内核中的一些命令,与普通的外部命令(外部程序文件)不同。这些内建命令是直接由shell解释器(如Bash、Zsh等)所处理,而不需要通过外部文件的方式来执行。这些内建命令通常在操作系统的shell环境中被频繁使用,并且执行速度更快,因为它们不需要创建新的进程来执行。
在Unix和类Unix操作系统中,通常会有一些内建命令,比如
cd
、
echo
、
exit
等。这些命令不需要单独的可执行文件,而是直接由shell内核提供支持。当用户在shell中输入这些命令时,shell会直接处理它们,而不需要通过搜索系统路径来找到可执行文件。
值得一提的是,某些shell也允许用户通过自定义的方式添加新的内建命令,这样用户可以根据自己的需求来扩展shell的内建功能。
4.lastcode = WEXITSTATUS(status);
在C语言中,
WEXITSTATUS(status)
是一个宏,用于从
wait
或
waitpid
返回的状态信息中提取子进程的退出状态。这个宏主要用于处理子进程的退出状态信息。
具体来说,
WEXITSTATUS(status)
用于提取子进程在终止时传递给
exit
或
_exit
函数的退出状态。这个宏将状态信息进行适当的位操作,以获取子进程的退出状态值。
一般情况下,
status
是由
wait
或
waitpid
函数返回的子进程状态,其中包含了有关子进程终止的信息,包括退出状态。通过使用
WEXITSTATUS(status)
,可以将状态转换为子进程的退出状态,以便于后续处理和判断子进程的终止情况。
具体的用法示例如下:
#include <sys/types.h>
#include <sys/wait.h>
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>
int main() {
pid_t pid;
int status;
int lastcode;
pid = fork();
if (pid < 0) {
perror("fork failed");
exit(1);
} else if (pid == 0) {
// This is the child process
char *args[] = {"ls", "-l", NULL};
execvp(args[0], args);
} else {
// This is the parent process
waitpid(pid, &status, 0);//获得了子进程的退出码
lastcode = WEXITSTATUS(status);
printf("子进程的退出状态是:%d\n", lastcode);
}
return 0;
}
在这个例子中,
WEXITSTATUS(status)
会从
status
中提取子进程的退出状态,并将其赋值给
lastcode
。然后这个退出状态可以被用来进行一些处理,比如根据不同的退出状态进行不同的操作。
需要注意的是,使用
WEXITSTATUS(status)
的前提是要确保传入的
status
参数是一个子进程终止的状态,因为该宏只能提取终止进程的退出状态信息。
5.execvp(_argv[0], _argv);的调用
在代码中,
execvp(_argv[0], _argv)
是一个执行函数
execvp
的调用,用于执行磁盘文件上的程序。这个函数会用指定的程序文件(由
_argv[0]
指定)来覆盖当前进程的镜像,并且用
_argv
数组中的参数替换掉原来的程序参数。
相对路径执行指令
- 路径搜索:根据
PATH
环境变量,execvp
会在指定路径中查找可执行文件。 - 内存映射:找到可执行文件后,将其映射到当前进程地址空间。
- 替换镜像:用新程序的数据、堆栈、代码段替换当前进程的相应部分。
- 执行:新程序从其入口点开始执行,覆盖原进程的代码。
下面是对
execvp
函数调用的解释:
_argv[0]
表示要执行的程序文件的路径或名称。如果是一个程序的名称而没有路径,execvp
会在$PATH
环境变量指定的路径中搜索这个程序。_argv
是一个以空指针结尾的字符串数组,用于传递给新程序的命令行参数。数组的第一个元素(_argv[0]
)通常是被执行的程序的名称,随后的元素是程序的参数。- 当调用
execvp
时,操作系统会加载并执行指定的程序文件,并用_argv
数组中的参数来替换当前进程的参数。(因为默认会在PATH中查询,就和系统连接上了) - 如果
execvp
调用成功,则当前进程的镜像将被新程序替换,并且新程序开始执行。原来的程序代码和数据都会被新程序的代码和数据取代。 - 如果
execvp
调用失败,它会返回-1,并且当前进程的状态不会改变。
在简单的C代码中,
execvp
函数通常与
fork
函数一起使用,例如:
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
int main() {
char *_argv[] = {"ls", "-l", "-a", NULL}; // 要执行的命令及参数组成的数组
execvp(_argv[0], _argv); // 在新的程序中执行 ls 命令
// 如果执行成功,下面的代码不会被执行
perror("execvp"); // 如果 execvp 失败,打印出错误信息
return 1;
}
需要注意的是,
execvp
在执行成功后,原进程的代码和数据将会被新进程替换。这就意味着,如果
execvp
后面还有代码,那么这些代码将不会被执行,因为当前的程序已经不再存在。
实现shell, 一行一行的运行,先判断是否为内建命令
6._argc&_argv
_argv
:是一个字符指针数组,用于存储命令和参数。_argc
:是整型变量,用于存储命令和参数的数量。splitstring
函数将命令行字符串分割成多个子字符串,存储在_argv
中,并返回子字符串的数量_argc
。NormalExcute
函数使用_argv
数组创建子进程并执行命令。buildCommand
函数使用_argv
和_argc
处理内建命令。
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