【Linux】自定义shell（讲解原理）

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一、打印命令提示符和获取命令行命令字符串

1.1 设计

我们首先使用操作系统的bash看到了命令行提示符的组成为

[用户名@主机名 当前工作目录]$

，获取用户名、主机名和当前工作目录的函数在系统调用中都有，这里我们自己设计一个，这三个数据都是环境变量，我们可以通过getenv来获取到他们，获取后将他们按照操作系统bash的格式输出出来即可，通过下图我们可以发现，我们的当前工作目录与操作系统的有所区别，我们的当前工作目录是一条路径，可以通过裁剪得到与操作系统一样的效果，我这里为了区分与操作系统的区别，这里就不做裁剪了。

输出完命令行提示符后，就需要向bash中输入命令了，这里我们就需要一个输入函数来读取命令字符串，需要注意的是这里不能使用scanf函数，因为scanf函数不能读取空格之后的内容，可以选择gets/fgets函数来读取，当我们输入完命令字符串后需要按回车，那么获取到的字符串中也会获取到这个’\n’，所以我们还需要将这个’\n’处理掉。

#include<stdio.h>#include<string.h>#include<stdlib.h>#defineNUM1024constchar*getUsername(){char* username =getenv("USER");if(username)return username;elsereturn"none";}constchar*getHostname(){char* hostname =getenv("HOSTNAME");if(hostname)return hostname;elsereturn"none";}constchar*getCwd(){char* cwd =getenv("PWD");if(cwd)return cwd;elsereturn"none";}intmain(){char usercommand[NUM];printf("[%s@%s %s]# ",getUsername(),getHostname(),getCwd());// scanf("%s",usercommand); scanf读到空格就会自动停止，所以这里不使用scanffgets(usercommand,sizeof(usercommand),stdin);// 读取字符串时，会自动获取到'\n'，我们需要将这个'\n'去掉
    usercommand[strlen(usercommand)-1]='\0';// 用于测试输入的字符串是否符合我们的预期printf("%s",usercommand);return0;}

1.2 封装

这里将打印命令行提示符与获取命令行字符串的工作统一封装到getUserCommand这个函数中。

intgetUserCommand(char* command ,int num){printf("[%s@%s %s]# ",getUsername(),getHostname(),getCwd());// scanf("%s",usercommand); scanf读到空格就会自动停止，所以这里不使用scanf    char* r =fgets(command,num,stdin);if(r ==NULL)return-1;// 读取失败返回-1    // 读取字符串时，会自动获取到'\n'，我们需要将这个'\n'去掉    
    command[strlen(command)-1]='\0';// 由于读入字符串时，必定会有一个\n所以这么不可能会越界                                                                                            // 用于测试输入的字符串是否符合我们的预期printf("%s",command);return1;}intmain(){char usercommand[NUM];getUserCommand(usercommand,NUM);return0;}

二、分割字符串

2.1 设计

当我们获取到了命令字符串后，需要将字符串以空格为分隔符将字符串分割为子字符串，并将每一个子字符串的地址存入到一个指针数组中，这里给出一个字符串被分割的例子：

"ls -l -a" -> "ls" "-l" "-a"

。我们可以使用strtok函数来将字符串分割，使用strtok函数处理同一个字符串时，第一次需要传入字符串的地址，后面再次调用则只需要传入NULL即可。

#include<stdio.h>#include<string.h>#include<stdlib.h>#defineNUM1024#defineSIZE64#defineSEP" "constchar*getUsername(){char* username =getenv("USER");if(username)return username;elsereturn"none";}constchar*getHostname(){char* hostname =getenv("HOSTNAME");if(hostname)return hostname;elsereturn"none";}constchar*getCwd(){char* cwd =getenv("PWD");if(cwd)return cwd;elsereturn"none";}intmain(){while(1){char usercommand[NUM];char* argv[SIZE];int x =getUserCommand(usercommand,NUM);if(x ==-1)continue;int argc =0;                
        argv[argc++]=strtok(usercommand,SEP);while(argv[argc++]=strtok(NULL,SEP));// strtok函数分割失败时会返回NULL，正好是我们字符串数组结尾所需要的    // 所以分割的方式可以使用赋值作为循环判断条件进行循序    // 若是大家不习惯可以使用下面这一种分割方式    // while(argv[argc++] = strtok(NULL,SEP));  // while(1)                                    // {                                           //     argv[argc] = strtok(NULL,SEP);          //     if(argv[argc] == NULL)                  //         break;                      //     argc++;                         // }                                   for(int i =0; argv[i]; i++){printf("%d : %s \n",i,argv[i]);}}return0;}

2.2 封装

voidSplitCommand(char* in ,char* out[]){int argc =0;      
    
    out[argc++]=strtok(in,SEP);while(out[argc++]=strtok(NULL,SEP));// strtok函数分割失败时会返回NULL，正好是我们字符串数组结尾所需要的    // 所以分割的方式可以使用赋值作为循环判断条件进行循序    // 若是大家不习惯可以使用下面这一种分割方式    // while(1)    // {    //     out[argc] = strtok(NULL,SEP);    //     if(out[argc] == NULL)                                                                                                              //         break;    //     argc++;                                                                                                                            }// 用于测试字符串是否被分割                                                                                                                                             #ifdefdebug for(int i =0; out[i]; i++){printf("%d : %s \n",i,out[i]);}#endif}intmain(){while(1){char usercommand[NUM];char* argv[SIZE];int x =getUserCommand(usercommand,NUM);SplitCommand(usercommand,argv);}return0;}

三、执行指令

3.1 设计

将命令字符串分割后，就需要执行命令了，我们知道bash需要一直运行，这里添加一个循环让他一直运行，我们可以使用前面学习过的进程替换来执行命令，但是不能使用当前进程来进程替换，当前进程还需要继续运行，所以我们可以创建一个子进程来执行命令，由于我们将字符串分割为子字符串存储在了指针数组中，这里可以使用execvp函数来进行进场替换。

#include<stdio.h>#include<string.h>#include<stdlib.h>#include<unistd.h>#include<sys/types.h>#include<sys/wait.h>#defineNUM1024#defineSIZE64#defineSEP" "#definedebug1constchar*getUsername(){char* username =getenv("USER");if(username)return username;elsereturn"none";}constchar*getHostname(){char* hostname =getenv("HOSTNAME");if(hostname)return hostname;elsereturn"none";}constchar*getCwd(){char* cwd =getenv("PWD");if(cwd)return cwd;elsereturn"none";}intgetUserCommand(char* command ,int num){printf("[%s@%s %s]# ",getUsername(),getHostname(),getCwd());// scanf("%s",usercommand); scanf读到空格就会自动停止，所以这里不使用scanf    char* r =fgets(command,num,stdin);if(r ==NULL)return-1;// 读取失败返回-1    // 读取字符串时，会自动获取到'\n'，我们需要将这个'\n'去掉    
    command[strlen(command)-1]='\0';// 由于读入字符串时，必定会有一个\n所以这么不可能会越界    // 用于测试输入的字符串是否符合我们的预期// printf("%s",command);                                                                                        return1;}voidSplitCommand(char* in ,char* out[]){int argc =0;      
    
    out[argc++]=strtok(in,SEP);while(out[argc++]=strtok(NULL,SEP));// strtok函数分割失败时会返回NULL，正好是我们字符串数组结尾所需要的    // 所以分割的方式可以使用赋值作为循环判断条件进行循序    // 若是大家不习惯可以使用下面这一种分割方式    // while(1)    // {    //     out[argc] = strtok(NULL,SEP);    //     if(out[argc] == NULL)                                                                                                              //         break;    //     argc++;                                                                                                                            }#ifdefdebug for(int i =0; out[i]; i++){printf("%d : %s \n",i,out[i]);}#endif}intmain(){while(1){char usercommand[NUM];char* argv[SIZE];// 打印命令提示符和获取命令行命令字符串    int x =getUserCommand(usercommand,NUM);if(x <=0)continue;// 分割命令字符串SplitCommand(usercommand,argv); 
        pid_t id =fork();if(id <0)return-1;elseif(id ==0){execvp(argv[0],argv);// 若替换失败则子进程退出exit(-1);}else{
            pid_t rid =wait(NULL);if(rid>0){};}}return0;}

3.2 封装

intexecute(char* argv[]){
    pid_t id =fork();if(id <0)return-1;elseif(id ==0){execvp(argv[0],argv);// 若替换失败则子进程退出    exit(-1);}else{    
        pid_t rid =wait(NULL);if(rid>0){};}return0;}intmain(){while(1){char usercommand[NUM];char* argv[SIZE];// 打印命令提示符和获取命令行命令字符串        int x =getUserCommand(usercommand,NUM);if(x <=0)continue;// 分割命令字符串SplitCommand(usercommand,argv);// 执行命令execute(argv);}return0;}

四、处理內键命令的执行

当我们使用上面的代码执行命令时，发现大部分命令都可以被执行，但是例如cd、export、echo这样的内建命令却不能被执行，原因是内建命令是作用与bash的也就是这里的父进程，并且内建命令是bash的一部分，与常见命令不同，执行内建命令时不需要创建新的子进程，所以这些内建命令需要被特殊处理一下。将命令字符串分割后就判断当前命令是否为内建命令，是则直接执行内建命令，否则认定为常见命令向下继续执行。内建命令如何处理，这里就不多讲解，详细处理方法在下面的代码中有详细的注释，有兴趣的可以看一下。

#include<stdio.h>#include<string.h>#include<stdlib.h>#include<unistd.h>#include<sys/types.h>#include<sys/wait.h>#defineNUM1024#defineSIZE64#defineSEP" "// #define debug 1    // 由于环境变量PWD需要一直存在，这里定义一个全局变量来存储char cwd[1024];// 定义一个全局二维数组中，用于存储添加的环境变量char myenv[128][1024];// 记录二维数组中有多少个环境变量int cnt =0;int lastcode =0;// 记录退出码    char*getHomename(){char* homename =getenv("HOME");if(homename)return homename;elsereturn(char*)"none";}constchar*getUsername(){char* username =getenv("USER");if(username)return username;elsereturn"none";}constchar*getHostname(){char* hostname =getenv("HOSTNAME");if(hostname)return hostname;elsereturn"none";}constchar*getCwd(){char* cwd =getenv("PWD");if(cwd)return cwd;elsereturn"none";}intgetUserCommand(char* command ,int num){printf("[%s@%s %s]# ",getUsername(),getHostname(),getCwd());// scanf("%s",usercommand); scanf读到空格就会自动停止，所以这里不使用scanf                                                                         char* r =fgets(command,num,stdin);if(r ==NULL)return-1;// 读取失败返回-1// 读取字符串时，会自动获取到'\n'，我们需要将这个'\n'去掉
    command[strlen(command)-1]='\0';// 由于读入字符串时，必定会有一个\n所以这么不可能会越界// 用于测试输入的字符串是否符合我们的预期   // printf("%s\n",command);    // 当命令行只输入回车时，则没有必要创建子进程来执行任务if(strlen(command)==0)return0;return1;}voidSplitCommand(char* in ,char* out[]){int argc =0;    
    out[argc++]=strtok(in,SEP);while(out[argc++]=strtok(NULL,SEP));// strtok函数分割失败时会返回NULL，正好是我们字符串数组结尾所需要的// 所以分割的方式可以使用赋值作为循环判断条件进行循序// 若是大家不习惯可以使用下面这一种分割方式//while(1)    //{    //    out[argc] = strtok(NULL,SEP);    //    if(out[argc] == NULL)                                                                                                              //        break;    //    argc++;                                                                                                                            //}                                                                                                                                      #ifdefdebug for(int i =0; out[i]; i++){printf("%d : %s \n",i,out[i]);}#endif}intexecute(char* argv[]){
    pid_t id =fork();if(id <0)return-1;elseif(id ==0){execvp(argv[0],argv);// 若替换失败则子进程退出exit(-1);}else{// sleep(1);int status =0;
        pid_t rid =wait(&status);if(rid>0){
            lastcode =WEXITSTATUS(status);}}return0;}voidcd(char* path){// 将当前的工作目录改为pathchdir(path);// tmp作为一个临时空间char tmp[1024];// 将当前工作目录写入到tmp中getcwd(tmp,sizeof(tmp));// 将PWD=与tmp进行组合，形成环境变量的格式存储到全局变量cwd                                                                                                                     sprintf(cwd,"PWD=%s",tmp);// 将cwd添加到环境变量中，覆盖掉原来的环境变量PWDputenv(cwd);}// 内键命令并执行1，非内键命令0intdobuildin(char* argv[]){if(strcmp(argv[0],"cd")==0){char* path =NULL;// cd命令后面没有添加路径，默认更改当前工作目录为家目录if(argv[1]==NULL)
            path =getHomename();else 
            path = argv[1];cd(path);return1;}elseif(strcmp(argv[0],"export")==0){// 如果export后面没有内容则不做任何处理if(argv[1]==NULL)return1;else{// 将需要添加的环境变量保存到全局的二维数组中strcpy(myenv[cnt],argv[1]);// 将这个环境变量添加到进程的环境变量表中putenv(myenv[cnt++]);return1;}}elseif(strcmp(argv[0],"echo")==0){// 当echo后面没有内容时，默认输出回车if(argv[1]==NULL){printf("\n");return1;}// 当echo后面的字符串的第一个字符为$时// 就是查看进程的退出码或是环境变量的                                                                                                                                              elseif(*(argv[1])=='$'&&strlen(argv[1])>=2){// 输出退出码if(*(argv[1]+1)=='?'){printf("%d\n",lastcode);            
                lastcode =0;}else// 输出环境变量  {constchar* enval =getenv(argv[1]+1);if(enval){printf("%s",enval);}else{printf("\n");}}}// 不符合上面情况，通常就是将echo后面的字符串直接输出else{printf("%s",argv[1]);}return1;}elseif(0){}return0;}intmain(){while(1){char usercommand[NUM];char* argv[SIZE];// 打印命令提示符和获取命令行命令字符串    int x =getUserCommand(usercommand,NUM);if(x <=0)continue;SplitCommand(usercommand,argv); 
        x =dobuildin(argv);if(x ==1)continue;execute(argv);}return0;}

五、重定向（本文章所有代码）

写完前面的代码后，发现这个代码并不能解决重定向的问题，没了解重定向的最好看一下后面一篇文章了解一下重定向是什么，在分割命令字符串之前，我们需要判断这个命令字符串是否需要进行重定向，需要重定向则需要对字符串进行处理，例如

"ls -l -a > fortest.txt" -> "ls -l -a" 重定向类型 "fortest.txt"

，我们会得到三个部分，命令字符串、重定向类型、和文件名，在代码定义四种重定向类型，无重定向、输入重定向、输出重定向和追加重定向，默认情况下是无重定向，定义一个全局变量存储重定向类型，定义一个全局指针来指向文件名，然后我们针对不同的重定向类型使用dup2函数进行不同的处理，详细不同重定向的处理过程请查看代码中重定向的一部分。

#include<stdio.h>#include<string.h>#include<stdlib.h>#include<unistd.h>#include<sys/types.h>#include<sys/wait.h>#include<sys/stat.h>#include<fcntl.h>#include<ctype.h>#defineNUM1024#defineSIZE64#defineSEP" "// #define debug 1    #defineNoneRedir0#defineInputRedir1#defineOutputRedir2#defineAppendRedir3int redir = NoneRedir;char* filename =NULL;// 由于环境变量PWD需要一直存在，这里定义一个全局变量来存储char cwd[1024];// 定义一个全局二维数组中，用于存储添加的环境变量char myenv[128][1024];// 记录二维数组中有多少个环境变量int cnt =0;int lastcode =0;// 记录退出码   char*getHomename(){char* homename =getenv("HOME");if(homename)return homename;elsereturn(char*)"none";}constchar*getUsername(){char* username =getenv("USER");if(username)return username;elsereturn"none";}constchar*getHostname(){char* hostname =getenv("HOSTNAME");if(hostname)return hostname;elsereturn"none";}constchar*getCwd(){char* cwd =getenv("PWD");if(cwd)return cwd;elsereturn"none";}intgetUserCommand(char* command ,int num){printf("[%s@%s %s]# ",getUsername(),getHostname(),getCwd());// scanf("%s",usercommand); scanf读到空格就会自动停止，所以这里不使用scanfchar* r =fgets(command,num,stdin);if(r ==NULL)return-1;// 读取失败返回-1// 读取字符串时，会自动获取到'\n'，我们需要将这个'\n'去掉
    command[strlen(command)-1]='\0';// 由于读入字符串时，必定会有一个\n所以这么不可能会越界// 用于测试输入的字符串是否符合我们的预期   // printf("%s\n",command);    // 当命令行只输入回车时，则没有必要创建子进程来执行任务if(strlen(command)==0)return0;return1;}voidSplitCommand(char* in ,char* out[]){int argc =0;    
    out[argc++]=strtok(in,SEP);while(out[argc++]=strtok(NULL,SEP));#ifdefdebug for(int i =0; out[i]; i++){printf("%d : %s \n",i,out[i]);}#endif}intexecute(char* argv[]){
    pid_t id =fork();if(id <0)return-1;elseif(id ==0){int fd =0;if(redir == InputRedir){
            fd =open(filename,O_RDONLY);dup2(fd,0);}elseif(redir == OutputRedir){
            fd =open(filename,O_WRONLY|O_CREAT|O_TRUNC,0666);dup2(fd,1);}elseif(redir == AppendRedir){
            fd =open(filename,O_WRONLY|O_CREAT|O_APPEND,0666);dup2(fd,1);}else{// do nothing}execvp(argv[0],argv);// 若替换失败则子进程退出exit(-1);}else{// sleep(1);int status =0;
        pid_t rid =wait(&status);if(rid>0){
            lastcode =WEXITSTATUS(status);}}return0;}voidcd(char* path){chdir(path);char tmp[1024];// char* tmp = getenv("PWD");getcwd(tmp,sizeof(tmp));sprintf(cwd,"PWD=%s",tmp);putenv(cwd);}// 内键命令并执行1，非内键命令0intdobuildin(char* argv[]){if(strcmp(argv[0],"cd")==0){char* path =NULL;if(argv[1]==NULL)
            path =getHomename();else 
            path = argv[1];cd(path);return1;}elseif(strcmp(argv[0],"export")==0){if(argv[1]==NULL)return1;else{strcpy(myenv[cnt],argv[1]);putenv(myenv[cnt++]);return1;}}elseif(strcmp(argv[0],"echo")==0){if(argv[1]==NULL){printf("\n");return1;}elseif(*(argv[1])=='$'&&strlen(argv[1])>=2){// 输出退出码if(*(argv[1]+1)=='?'){printf("%d\n",lastcode);
                lastcode =0;}else// 输出环境变量  {constchar* enval =getenv(argv[1]+1);if(enval){printf("%s",enval);}else{printf("\n");}}}else{printf("%s",argv[1]);}return1;}elseif(0){}return0;}// 用于跳过空格#defineSkipSpace(pos)do{while(isspace(*pos)) pos++;}while(0)// 判断是否为重定向voidCheckRedir(char command[]){char* start = command;char* end = command +strlen(command);while(start < end){// 输入重定向if(*end =='<'){*end ='\0';
            filename = end +1;SkipSpace(filename);
            redir = InputRedir;}elseif(*end =='>'){// 追加重定向if(*(end-1)=='>'){*(end-1)='\0';
                filename = end +1;SkipSpace(filename);
                redir = AppendRedir;}// 输出重定向else{*end ='\0';
                filename = end +1;SkipSpace(filename);
                redir = OutputRedir;}}
        end--;}}intmain(){while(1){// 初始默认为非重定向
        redir = NoneRedir;
        filename =NULL;char usercommand[NUM];char* argv[SIZE];// 打印命令提示符和获取命令行命令字符串    int x =getUserCommand(usercommand,NUM);if(x <=0)continue;// 判断是否为重定向CheckRedir(usercommand);// 分割命令行  "ls -a -l" -> "ls" "-a" "-l"SplitCommand(usercommand,argv);// 判断是否为內键命令
        x =dobuildin(argv);if(x ==1)continue;// 执行指令execute(argv);}return0;}

结尾

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