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Linux：自定义Shell

        本文旨在通过自己完成一个简单的Shell来帮助理解命令行Shell这个程序。

目录

一、输出“提示”

二、获取输入

三、切割字符串

 四、执行指令

1.子进程替换

2.内建指令

一、输出“提示”

        这个项目基于虚拟机Ubuntu22.04.5实现。

        

        打开终端界面如图所示。

        其中。

@之前：utocoo是用户名
@之后：utocoo-virtul-machine是主机名
":"之后是当前路径，"~"表示用户家目录
"$"是普通用户的提示符，如果是root用户，则为"#"
光标闪烁位置在等待输入

         当前的用户名，主机名，当前工作目录这些信息都有对应的环境变量，故可以利用getenv拿到对应的值。

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
//获取用户名
const char* UserName()
{
	const char* username = getenv("USER");
	if(username)
		return username;
	else
		return "None";
}
//获取主机名
const char* HostName()
{
	const char* hostname = getenv("HOSTNAME");
	if(hostname)
		return hostname;
	else
		return "None";
}
//获取目录
const char* CurrentWorkDir()
{
	const char* cwd = getenv("PWD");
	if(cwd)return cwd;
	else return "None";
}
int main()
{
	printf("%s@%s:%s$",UserName(),HostName(),CurrentWorkDir());
	return 0;
}

二、获取输入

        用户的输入是作为一个字符串被输入，故需要定义一个数组作为缓冲区。

        使用scanf输入时，遇到空格则会刷新缓冲区，故推荐使用fgets函数作为输入函数。关于C语言的各组输入函数，这篇文章做了很好的说明。https://blog.csdn.net/qq_53139964/article/details/142820767 

        补全其他板块的代码完成“获取输入”这一步骤。

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>

#define SIZE 1024 //定义缓冲区数组大小

const char* HostName()
{
	const char* hostname = getenv("HOSTNAME");
	if(hostname)
		return hostname;
	else
		return "None";
}
const char* UserName()
{
	const char* username = getenv("USER");
	if(username)
		return username;
	else
		return "None";
}
const char* CurrentWorkDir()
{
	const char* cwd = getenv("PWD");
	if(cwd)return cwd;
	else return "None";
}
int main()
{
	char commandline[SIZE];
	printf("%s@%s:%s$ ",UserName(),HostName(),CurrentWorkDir());
	//获取用户输入
	fgets(commandline,SIZE,stdin);
	printf("test:%s\n",commandline);

	return 0;
}

        测试结果如下。

        不难看出，打印结果中有两次“换行操作”。原因是fgets在stdin流中读取一定数量的信息时，会将我们自己输入的'\n'也读取进来，因此需要在commandline数组中去掉这个字符。

commandline[strlen(commandline)-1] = 0;//将'\n'修改为'0'

        封装处理后。

//命令行交互
void Interactive(char* out,int size)
{	
	printf("%s@%s:%s$ ",UserName(),HostName(),CurrentWorkDir());
	//获取用户输入
	fgets(out,size,stdin);
	out[strlen(out)-1] = 0;//将'\n'修改为'0'
}

三、切割字符串

        我们知道，命令行也是正在运行的程序，而在命令行执行输入的指令，其实是命令行这个进程创建子程序后再做程序替换，注意程序替换时，传参方式要么是可变参数，要么是指针数组，因此，无论如何，都要先将当前的字符串按照空格切割成一个个的子串，如果是指针数组的形式，要以NULL结尾。

        切割字符串可以利用C语言的字符串处理函数strtok。

#define MAX_ARGC 64
#define SPC " "
char* argv[MAX_ARGC];

//切割字符串
void Split(char* in)
{
	int i = 0;
	argv[i++] = strtok(in,SPC);
	while(argv[i++] = strtok(NULL,SPC));
}

        在这里，切割字符串的语句是这样一句while循环，循环体为空。仅仅这样一行代码就可以实现我们对字符串切割的要求，因为argv数组要求要以NULL结尾，而这句赋值语句将最后一个字符'\0'赋值给数组元素后，数组尾的数据就是NULL，同时表达式的值也为假，跳出循环。

 四、执行指令

1.子进程替换

        我们当前做的所有工作都是模拟shell这个程序，而模拟的命令行要执行我们输入的指令，必然要通过程序替换来完成，但是不能用shell这个进程做替换，应该创建子进程，让子进程做程序替换，父进程等待子进程。

#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/wait.h>
	
//3.执行命令
pid_t id = fork();
if(id == 0)
{
	//程序替换，子进程执行命令
	exit(1);
}

pid_t rid = waitpid(id,Null,0);
printf("run done!:%d",rid);
return 0;

        程序替换时，选择适当的替换函数也是很重要的，我们在模拟的时候是创建了argv数组，故选择带v的exec函数，其次，带p的exec函数可以不用指定系统指令的全部路径，故选择execvp这个函数。

//执行指令
void Execute()
{
	pid_t id = fork();
	if(id == 0)
	{
		//程序替换，子进程执行命令
		execvp(argv[0],argv);
		exit(1);
	}

	pid_t rid = waitpid(id,NULL,0);
	printf("run done!:%d\n",rid);
}

        

        由于我的Ubuntu系统当前的环境变量没有主机名这个变量，因此主机名结果显示了None。

        但是，当前的shell只能执行一次程序替换，所以需要加上死循环，让shell一直运行。

int main()
{
	while(1)
	{
    	char commandline[SIZE];
    	//1.打印命令行信息
    	Interactive(commandline,SIZE);
    	//2.切割字符串
    	Split(commandline);
    	//3.执行命令
    	Execute();
	}
	return 0;
}

2.内建指令

        但是有些指令的执行结果是不符合预期的，比如cd指令。这部分指令称为内建指令，具体请看这篇文章。https://blog.csdn.net/chen1415886044/article/details/103015950

        基于这一点，我们模拟的shell程序在执行cd指令的时候，其实是子程序替换为cd 指令，子程序执行了cd指令，路径发生改变的仅仅是子程序的路径，而我们平时在命令行所打印出来的路径，其实都是shell程序的路径，运行结果当然不符合预期。

        因此，在子程序替换执行指令之前，先判断要执行的指令是否要内建指令，如果是内建指令，则不需要创建子进程做替换，而是shell这个进程直接执行。

int main()
{
	while(1)
	{
    	char commandline[SIZE];
    	//1.打印命令行信息
    	Interactive(commandline,SIZE);
    	//2.切割字符串
    	Split(commandline);
	    //3.执行内建指令
		int i = BuildinCmd();
		if(i) continue;
    	//4.执行命令
    	Execute();
	}
	return 0;
}

/执行内建指令
int BuildinCmd()
{
	//判断是否为内建指令，如果是，则返回1,否则返回0
	//并且执行内建指令
	//此处只列举cd这一条内建指令
	int ret = 0;
	if(strcmp("cd",argv[0])== 0)
	{
	   // cd *** ：cd到具体路径 
       // cd 空 ：cd到家目录
		char* Target = argv[1];
		if(!Target) Target = getenv("HOME");

		chdir(Target);
		ret = 1;
	}
	return ret;
}

         执行结果。

         在执行结果中，依旧有两个错误。

        1.输入为空，结果是段错误。

        2.cd指令执行后，命令行的输出提示中路径并未发生改变。

        要解决输入为空后发生的段错误，可以在交互的函数中返回输入字符串的长度，然后做if条件判断，特殊处理。

   

        至于在执行cd指令后，显示结果的路径并未发生改变，原因就是显示结果是由getenv得到，而此时的环境变量PWD并没有发生改变，因为当前myshell进程所在路径没有发生改变。

        同时，不难总结出来，cd指令的执行和环境变量PWD的value息息相关。

        可以利用snprintf这个函数，将格式化信息输出到指定大小的pwd字符串中，再利用putenv导入环境变量，则myshell程序就模拟出修改环境变量PWD的效果了。

        putenv，导出环境变量，新建或者修改一个环境变量，如果putenv的参数是新的环境变量，则新建，如果是已经存在的环境变量，则修改。

        snprintf，和printf是一类函数，printf默认把格式化信息输出到屏幕，而多加了s (string)和n(表示字符串的大小）的snprintf表示把格式化信息输出到n长度的字符串中。

//关联环境变量,定义一个字符串，或者字符数组
char pwd[SIZE];
//执行内建指令
int BuildinCmd()
{
	//判断是否为内建指令，如果是，则返回1,否则返回0
	//并且执行内建指令
	//此处只列举cd这一条内建指令
	int ret = 0;
	if(strcmp("cd",argv[0])== 0)
	{
	   // cd *** | cd 
		char* Target = argv[1];
		if(!Target) Target = getenv("HOME");

		chdir(Target);
		
		//关联环境变量，格式化信息会输出到pwd字符数组中
		snprintf(pwd,SIZE,"PWD=%s",Target);
		putenv(pwd);
		ret = 1;
	}
	return ret;
}

        但是在用cd指令执行下面这样的情况后，路径名并不达预期。

        原因是我们是使用Target来更新了环境变量，Target是我们输入的内容。

        可以利用getcwd函数获取当前进程的绝对路径，再用getcwd的返回结果来更新环境变量。

//执行内建指令
int BuildinCmd()
{
	//判断是否为内建指令，如果是，则返回1,否则返回0
	//并且执行内建指令
	//此处只列举cd这一条内建指令
	int ret = 0;
	if(strcmp("cd",argv[0])== 0)
	{
	   // cd *** | cd 
		char* Target = argv[1];
		if(!Target) Target = getenv("HOME");

		chdir(Target);
		
		//关联环境变量，格式化信息会输出到pwd字符数组中
		char tmp[999];
		getcwd(tmp,999);
		snprintf(pwd,SIZE,"PWD=%s",tmp);
		putenv(pwd);
		ret = 1;
	}
	return ret;
}

      export指令也是内建指令，在export的指令被切割为argv数组后，argv数组的第二个元素就是要导入环境变量的字符串，可以直接putenv导入。

if(strcmp("export",argv[0])==0)
{
	ret = 1;
	if((argv[1]))putenv(argv[1]);
}

         随便导入一个环境变量，执行env命令后就能看到这个环境变量。但是在你执行一系列指令后，再执行env指令查看这个环境变量，可能会出现找不到的情况。

        原因就是，上面这段代码是通过argv数组导入的，在执行env指令，显示的时候指向了argv数组的值，而argv数组中的值在一次次执行指令的过程中会不断变换，因此已经导入的环境变量可能又会消失不见。

        正确做法是用数组保存要导入的环境变量。

//存储新的环境变量
char env[SIZE];

if(strcmp("export",argv[0])==0)
{
	ret = 1;
	if((argv[1]))
	{
		  strcpy(env,argv[1]);
	  	  putenv(env);
	}
}

         echo指令也是内建指令，执行echo指令一般有如下几种情况。

echo abcdef //输出一些信息
echo $HOME  //输出环境变量
echo $?     //输出上一次执行结果的进程退出码
echo        //输入echo后回车，结果会显示回车

        需要注意，在执行echo $?这个命令后，会显示上一条命令执行的退出码，如果再执行一次echo $?则显示结果应该为0。 

int lastExitCode = 0;
if(strcmp("echo",argv[0])==0)
	{
		ret =1;
		if(argv[1])
		{
			if(argv[1][0] == '$')
			{
				if(argv[1][1] == '?')
				{
					printf("%d\n",lastExitCode);
					lastExitCode=0;//重置为0
				}
				else
				{
					char* tmp2 = getenv(argv[1]+1);
					if(tmp2) printf("%s\n",tmp2);
					else
					{
						printf("\n");
					}
				}
			}
			else
			{
				printf("%s\n",argv[1]);
			}
		}
		else
		{
			printf("\n");
		}
		
	}

        小细节，为ls指令添加颜色效果。

//切割字符串
void Split(char* in)
{
	int i = 0;
	argv[i++] = strtok(in,SPC);
	while(argv[i++] = strtok(NULL,SPC));
	if(strcmp("ls",argv[0]) == 0)
	{
		argv[i-1] = (char*)"--color";
		argv[i] = NULL;
	}
}

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