【Linux】简易版Shell实现（附源码）

前言

之前我们学习了Linux的进程概念以及进程控制相关接口：

【Linux】进程控制-CSDN博客

本篇文章，我们将一起踏上一段有趣的旅程，基于之前学习的进程相关概念以及控制接口，仿照CentOS – Bash的工作流程，实现一个功能虽然简单，但足以让你深刻理解 Shell 工作原理的迷你 Shell。

正文开始

一、程序流程分析

我们日常使用Bash时，通过输入命令执行相应的操作，比如：

那么，Bash是如何进行工作的呢？观察一下，就会发现，首先Bash会打印命令行提示符，包括当前用户、主机名以及路径。之后会等待我们输入相关命令，然后根据命令执行相应程序。程序执行结束后，就会再次打印命令行提示符，等待我们再次输入指令…很明显是一个死循环。

总结一下，Bash的大体工作流程是：

1. 打印命令行提示符（包括当前用户名、主机名、路径）
2. 获取用户输入的命令行
3. 解析命令行
4. 执行命令
5. 继续打印命令行提示符…

注意：当Bash执行非内建命令时，会创建一个子进程，由子进程完成相应的工作，Bash自己等待子进程工作结束。而对于内建命令（如cd，echo），需要Bash自己执行任务。

二、代码实现

接下来，我们开始按照上述工作流程，一步步实现我们的简易Shell。

1. 打印命令行提示符

CentOS的命令行提示符主要包含三个内容：当前用户名、主机名和当前所在路径。 之前学习Linux环境变量时，我们了解到环境变量（USER、HOSTNAME、PWD）中存储着这些内容。所以我们使用getenv函数获取环境变量相应的值。

代码实现：

#include <iostream>
#include <cstdio>
#include <cstring>
#include <cstdlib>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/wait.h>

//获取当前用户名
const char* GetUserName()
{
    const char* name = getenv("USER");
    return name == nullptr ? "none" : name;
}

//获取当前主机名
const char* GetHostName()
{
    const char* name = getenv("HOSTNAME");
    return name == nullptr ? "none" : name;
}

//获取当前工作路径
const char* GetPwd()
{
    const char* pwd = getenv("PWD");
    return pwd == nullptr ? "none" : pwd;
}

接下来，调用这些函数，形成一串命令行提示符并打印：

//创建并打印命令行提示符
void PrintCommandPrompt()
{
    char CommandPrompt[1024];
    //这里为了区分Bash，用大括号
    snprintf(CommandPrompt, sizeof CommandPrompt,"{%s@%s %s}@ " , GetUserName(), GetHostName(), GetPwd());
    std::cout << CommandPrompt << std::flush; // 打印并刷新缓冲区
}

注意这里打印结束后，由于没有换行，所以缓冲区可能不会刷新，导致命令行提示符没有出现在屏幕上。因此这里我们需要主动刷新缓冲区。

进行测试：

int main()
{
    PrintCommandPrompt();
    return 0;
}

运行结果：

可以看到，用户名和主机名都正常打印，但在我们写的shell中，当前所在路径是绝对路径，太过冗长，所以可以对生成的路径进行一些处理：

//创建并打印命令行提示符
void PrintCommandPrompt()
{
    char CommandPrompt[1024];
    
    //处理当前工作路径
    std::string pwd = GetPwd();
    if(pwd != "/") // 如果是根目录，则直接输出
        pwd = pwd.substr(pwd.rfind('/') + 1); // 查找最后一个"/"，并从下一个位置开始分割

    //这里为了区分Bash，用大括号
    snprintf(CommandPrompt, sizeof CommandPrompt,"{%s@%s %s}@ " , GetUserName(), GetHostName(), pwd.c_str());
    //std::cout << CommandPrompt << std::flush; // 打印并刷新缓冲区
    std::cout << "{ep@VM-20-13-centos code035}@ " << std::flush;
}

运行结果：

2. 获取用户输入的命令行

在Bash输入命令时，往往会带上一些选项，并用空格隔开。因此，使用scanf或cin读入时会以空格作为分隔符，达不到想要的效果。这里我们选择用fgets进行读取。

另外，主函数当中，命令的全部处理应该放在一个死循环当中，这样才能完成用户多次派发的任务。

//获取用户输入的命令行
bool GetCommandLine(char* command, int size)
{
    //从键盘读取命令
    if(fgets(command, size, stdin) == nullptr)
    {
        return false;
    }

    //注意清理末尾的'\n'
    if(strlen(command) == 0) return false;
    command[strlen(command) - 1] = '\0';
    return true;
}

int main()
{
    while(true)
    {
        //打印命令行提示符
        PrintCommandPrompt();

        //读入命令
        char command[1024];
        if(!GetCommandLine(command, sizeof command)) // 若读取错误，就continue重新读取
        {
            std::cout << "读取错误" << std::endl;
            continue;
        }

        //打印输入的命令行
        std::cout << command << std::endl;
    }
    return 0;
}

注意：使用fgets从键盘读取字符串时会附带末尾’\n’，需要进行处理。

运行测试：

可以看到，程序成功读入了我们的命令（包括空格），并且将命令回显出来。

3. 命令行解析

命令行解析的过程中，需要将用户读入的命令行进行分割，提取出要执行的程序名以及选项。这里我们创建两个全局变量g_argc和g_argv，分别存储解析到的命令行参数以及参数个数，方便后续指令的执行。

注：这里的命令行分割操作由strtok函数完成。如果你不是很了解strtok函数，可以参阅这篇文章：

【c语言】字符串函数和内存函数-CSDN博客

代码实现：

//全局变量存储命令行参数及其个数
int g_argc = 0;
char* g_argv[128];

//命令行解析
bool CommandParse(char* command)
{
    g_argc = 0;
    for(char* p = strtok(command, " "); p != nullptr; p = strtok(nullptr, " "))
    {
        g_argv[g_argc++] = p;
    }
    return g_argc == 0 ? false : true;
}

int main()
{
    while(true)
    {
        //打印命令行提示符
        PrintCommandPrompt();

        //读入命令
        char command[1024];
        if(!GetCommandLine(command, sizeof command)) // 若读取错误，就continue重新读取
        {
            std::cout << "输入错误" << std::endl;
            continue;
        }
        // //打印输入的命令行
        // std::cout << command << std::endl;

        //命令行解析
        if(!CommandParse(command))
        {
            std::cout << "命令行解析失败" << std::endl;
            continue;
        }
        //打印解析结果
        for(int i = 0; i < g_argc; i++)
        {
            std::cout << g_argv[i] << std::endl;
        }
    }
    return 0;
}

测试结果：

程序成功地按照空格将我们输入的命令行参数提取了出来。接下来，根据提取到的参数，就可以执行相关指令了。

4. 执行命令

对于非内建命令，Bash会创建子进程，并让子进程执行；而对于内建命令，则是由Bash自己执行。因此，执行命令之前，需要先判断该命令是否是内建命令，然后进行相应的操作。

为什么会有内建命令？

• 效率： 执行内建命令通常比执行外部命令更快，因为避免了创建新进程的开销。
• Shell 功能： 许多内建命令直接操作 Shell 的内部状态，例如改变当前工作目录 (cd)、设置环境变量 (export)、控制 Shell 行为等，这些功能如果作为外部命令实现会更加复杂或不可能。
• 基本操作： 一些非常基础和常用的操作需要作为内建命令提供，以确保 Shell 的基本功能可用

内建命令的处理

在Bash当中，可以使用type命令判断一个命令是否是内建命令，例如：

当然，除了cd和echo命令，还有printf、help等内建命令。本次实现中，为了能够让大家深刻理解shell运行原理，同时降低实现难度，博主就只针对cd和echo这两个内建命令进行简易实现。

内建命令的检查和处理：

//内建命令处理
bool CheckAndExecBuiltin()
{
    //取出命令行参数表的首元素，判断是否为内建命令，如果是，则直接执行
    std::string str = g_argv[0];
    if(str == "cd")
    {
        Cd();
        return true;
    }
    else if(str == "echo")
    {
        Echo();
        return true;
    }
    //else if(...)
    return false; // 不是内建命令，直接返回
}

int main()
{
    while(true)
    {
        //打印命令行提示符
        PrintCommandPrompt();

        //读入命令
        char command[1024];
        if(!GetCommandLine(command, sizeof command)) // 若读取错误，就continue重新读取
        {
            std::cout << "输入错误" << std::endl;
            continue;
        }
        // //打印输入的命令行
        // std::cout << command << std::endl;

        //命令行解析
        if(!CommandParse(command))
        {
            std::cout << "命令行解析失败" << std::endl;
            continue;
        }
        // //打印解析结果
        // for(int i = 0; i < g_argc; i++)
        // {
        //     std::cout << g_argv[i] << std::endl;
        // }

        //内建命令的处理
        if(CheckAndExecBuiltin())
        {
            continue; // 是内建命令，执行完毕就回去重新打印提示符
        }

        //不是内建命令，由子进程处理
    }
    return 0;
}

cd的简易实现

cd的功能是改变当前工作路径。如果创建子进程，其只能修改它自己的工作路径，而无法修改Bash的工作路径。因此cd操作需要Bash亲自完成。 我们获取到命令行参数后，可以通过调用chdir函数实现：

void Cd()
{
    std::string dst;
    if(g_argc == 1 || g_argv[1] == std::string("~")) // 处理进入家目录的情况
    {
        dst = GetHome();
        if(dst == "") return;
    }
    else
    {
        dst = g_argv[1];
    }
    chdir(dst.c_str());
}

测试结果：

可以看到，使用cd后，当前路径貌似并没有发生改变。为什么呢？实际上chdir确实起到了效果，但是我们的命令行提示符中，当前工作路径是从环境变量中获取的，环境变量中的PWD并没有发生改变。 因此，修改当前工作路径之后，要顺带着修改环境变量PWD的值。其次，当前工作路径改变后，修改环境变量之前，要获取到当前工作路径，就需要使用getcwd函数。进行键值处理后，使用putenv修改环境变量。

另外要注意：许多putenv函数的实现（特别是 POSIX 标准的实现）不会复制我们传递给它的字符串，而会直接使用传入的指针来表示新的环境变量，因此要创建一个全局变量存储PWD键值对，确保其不会被销毁。

代码实现：

//全局的当前工作路径
char cwd[256];

void Cd()
{
    std::string dst;
    if(g_argc == 1 || g_argv[1] == "~") // 处理进入家目录的情况
    {
        dst = GetHome();
        if(dst == "") return;
    }
    else
    {
        dst = g_argv[1];
    }
    chdir(dst.c_str());

    //同时修改环境变量中的当前工作路径
    char tmp[128];
    if(getcwd(tmp, sizeof tmp))
    {
        snprintf(cwd, sizeof cwd, "PWD=%s", tmp); // 键值处理
        putenv(cwd);
    }
}

测试结果：

echo的简易实现

echo不仅可以向屏幕打印字符串，还可以打印上一个执行的程序的退出码、以及环境变量等信息。为了确保效率以及执行的可靠性，该命令也是一个内建命令，由Bash亲自执行。

//全局变量记录上一个程序的退出码
int exit_code;

void Echo()
{
    std::string op = g_argv[1];
    if(op == "$?") // 打印上一个程序的退出码
    {
        std::cout << exit_code << std::endl;
        exit_code = 0;
    }
    else if(op[0] == '$') // 打印环境变量的值
    {
        //从"$"后的第一个字符开始，获取环境变量名
        std::string name = op.substr(1);

        //用getenv获取环境变量值
        const char* value = getenv(name.c_str());
        if(value)
            std::cout << value << std::endl;
    }
    else // 打印字符串
    {
        std::cout << op << std::endl;
    }
}

测试结果：

非内建命令的处理

针对非内建命令，需要创建子进程，然后由子进程找到系统的对应指令程序的位置，直接进行进程程序替换，完成相关任务。这样我们就无需一个个实现相关指令操作了。

为了让子进程自动查找对应程序的位置，减少我们的工作量，且使程序替换的参数与我们创建的全局命令行参数表一一对应，这里我们直接选用execvp进行程序替换。

#include <unistd.h>
  
int execvp(const char *file, char *const argv[])

代码实现：

//执行非内建命令
void Execute()
{
    //创建子进程
    pid_t id = fork();
    if(id < 0)
    {
        //创建子进程失败，直接退出
        exit(1);
    }
    else if(id == 0)
    {
        //子进程 -- 通过程序替换执行指令
        execvp(g_argv[0], g_argv);
    }
    else
    {
        //父进程 -- 等待子进程，并获取子进程的退出信息
        int status = 0;
        pid_t rid = waitpid(id, &status, 0);
        if(rid > 0) // 等待成功
        {
            //将退出信息存入全局exit_code
            exit_code = WEXITSTATUS(status);
        }
    }
}

int main()
{
    while(true)
    {
        //打印命令行提示符
        PrintCommandPrompt();

        //读入命令
        char command[1024];
        if(!GetCommandLine(command, sizeof command)) // 若读取错误，就continue重新读取
        {
            std::cout << "输入错误" << std::endl;
            continue;
        }
        // //打印输入的命令行
        // std::cout << command << std::endl;

        //命令行解析
        if(!CommandParse(command))
        {
            std::cout << "命令行解析失败" << std::endl;
            continue;
        }
        // //打印解析结果
        // for(int i = 0; i < g_argc; i++)
        // {
        //     std::cout << g_argv[i] << std::endl;
        // }

        //内建命令的处理
        if(CheckAndExecBuiltin())
        {
            continue; // 是内建命令，执行完毕就回去重新打印提示符
        }

        //不是内建命令，由子进程处理
        Execute();
    }
    return 0;
}

三、测试

接下来，我们输入一些指令进行测试，看看我们实现的shell能否达到预期效果：

perfect！

四、程序全部代码

自实现shell的全部代码如下：

#include <iostream>
#include <cstdio>
#include <cstdlib>
#include <cstring>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/wait.h>

//全局变量存储命令行参数及其个数
int g_argc = 0;
char* g_argv[128];

//全局的当前工作路径
char cwd[256];

//全局变量记录上一个程序的退出码
int exit_code;

//获取当前用户名
const char* GetUserName()
{
    const char* name = getenv("USER");
    return name == nullptr ? "none" : name;
}

//获取当前主机名
const char* GetHostName()
{
    const char* name = getenv("HOSTNAME");
    return name == nullptr ? "none" : name;
}

//获取当前工作路径
const char* GetPwd()
{
    const char* pwd = getenv("PWD");
    return pwd == nullptr ? "none" : pwd;
}

//获取用户的家目录
const char* GetHome()
{
    const char* home = getenv("HOME");
    return home == nullptr ? "" : home;
}

//创建并打印命令行提示符
void PrintCommandPrompt()
{
    char CommandPrompt[1024];
    
    //处理当前工作路径
    std::string pwd = GetPwd();
    if(pwd != "/") // 如果是根目录，则直接输出
        pwd = pwd.substr(pwd.rfind('/') + 1); // 查找最后一个"/"，并从下一个位置开始分割

    //这里为了区分Bash，用大括号
    snprintf(CommandPrompt, sizeof CommandPrompt,"{%s@%s %s}@ " , GetUserName(), GetHostName(), pwd.c_str());
    std::cout << CommandPrompt << std::flush; // 打印并刷新缓冲区
}

//获取用户输入的命令行
bool GetCommandLine(char* command, int size)
{
    //从键盘读取命令
    if(fgets(command, size, stdin) == nullptr)
    {
        return false;
    }

    //注意清理末尾的'\n'
    if(strlen(command) == 0) return false;
    command[strlen(command) - 1] = '\0';
    return true;
}

//命令行解析
bool CommandParse(char* command)
{
    g_argc = 0;
    for(char* p = strtok(command, " "); p != nullptr; p = strtok(nullptr, " "))
    {
        g_argv[g_argc++] = p;
    }
    return g_argc == 0 ? false : true;
}

void Cd()
{
    std::string dst;
    if(g_argc == 1 || g_argv[1] == std::string("~")) // 处理进入家目录的情况
    {
        dst = GetHome();
        if(dst == "") return;
    }
    else
    {
        dst = g_argv[1];
    }
    chdir(dst.c_str());

    //同时修改环境变量中的当前工作路径
    char tmp[128];
    if(getcwd(tmp, sizeof tmp))
    {
        snprintf(cwd, sizeof cwd, "PWD=%s", tmp);
        putenv(cwd);
    }
}

void Echo()
{
    std::string op = g_argv[1];
    if(op == "$?") // 打印上一个程序的退出码
    {
        std::cout << exit_code << std::endl;
        exit_code = 0;
    }
    else if(op[0] == '$') // 打印环境变量的值
    {
        //从"$"后的第一个字符开始，获取环境变量名
        std::string name = op.substr(1);

        //用getenv获取环境变量值
        const char* value = getenv(name.c_str());
        if(value)
            std::cout << value << std::endl;
    }
    else // 打印字符串
    {
        std::cout << op << std::endl;
    }
}

//内建命令处理
bool CheckAndExecBuiltin()
{
    //取出命令行参数表的首元素，判断是否为内建命令，如果是，则直接执行
    std::string str = g_argv[0];
    if(str == "cd")
    {
        Cd();
        return true;
    }
    else if(str == "echo")
    {
        Echo();
        return true;
    }
    //else if(...)
    return false; // 不是内建命令，直接返回
}

//执行非内建命令
void Execute()
{
    //创建子进程
    pid_t id = fork();
    if(id < 0)
    {
        //创建子进程失败，直接退出
        exit(1);
    }
    else if(id == 0)
    {
        //子进程 -- 通过程序替换执行指令
        execvp(g_argv[0], g_argv);
    }
    else
    {
        //父进程 -- 等待子进程，并获取子进程的退出信息
        int status = 0;
        pid_t rid = waitpid(id, &status, 0);
        if(rid > 0) // 等待成功
        {
            //将退出信息存入全局exit_code
            exit_code = WEXITSTATUS(status);
        }
    }
}

int main()
{
    while(true)
    {
        //打印命令行提示符
        PrintCommandPrompt();

        //读入命令
        char command[1024];
        if(!GetCommandLine(command, sizeof command)) // 若读取错误，就continue重新读取
        {
            std::cout << "输入错误" << std::endl;
            continue;
        }
        // //打印输入的命令行
        // std::cout << command << std::endl;

        //命令行解析
        if(!CommandParse(command))
        {
            std::cout << "命令行解析失败" << std::endl;
            continue;
        }
        // //打印解析结果
        // for(int i = 0; i < g_argc; i++)
        // {
        //     std::cout << g_argv[i] << std::endl;
        // }

        //内建命令的处理
        if(CheckAndExecBuiltin())
        {
            continue; // 是内建命令，执行完毕就回去重新打印提示符
        }

        //不是内建命令，由子进程处理
        Execute();
    }
    return 0;
}

总结

本篇文章，我们基于之前学习的Linux进程相关概念以及进程控制接口，实现了一个简易版的shell。本次实现让我们对Shell的运行原理有了更深刻的理解。之后博主会和大家一起开启新篇章，正式进入Linux内存管理以及文件管理的大门。如果你觉得博主讲的还不错，就请留下一个小小的赞在走哦，感谢大家的支持❤❤❤