Linux进程控制小练习|手撕一个简易版shell（Version 1.0）
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手撕一个简单的shell（版本1）
输出提示内容
获取用户输入
拆分用户输入
执行对应程序
内建命令处理
cd命令处理
export命令处理
env命令处理
echo命令处理
优化
手撕一个简单的shell（版本1）
在写一个shell之前，需要了解本次实现的shell在系统中做的事情：
- 从硬盘中读取环境变量存储到自己的环境变量表（本次以拷贝系统shell的环境变量到模拟实现程序中为例）
- 当在shell运行的过程中，如果用户输入一个指令且该指令可以对应到一个程序，则该程序会正常运行
根据上面的描述以及系统shell的直观感受，可以将本次模拟的shell需要做的内容分为下面的几个步骤：
- 输出提示内容，例如：
[epsda@ham-carrier ~]$，后面紧跟用户输入的指令 - 获取用户输入
- 将用户的输入拆分成单独的有效的字符串存入命令行参数表
- 创建子进程调用
exec家族函数调用用户输入的指令执行指定的程序
输出提示内容
根据系统shell的样式[epsda@ham-carrier ~]$，可以看出包括下面的内容：
- 用户名
@- 主机名
- 当前路径
- 用户提示符
$或者#
基本设计思路如下：
在系统环境变量中，存储着当前环境的用户名、主机名和当前路径，对于用户提示符，可以考虑判断是否是root用户，如果是则打印#，否则打印$
示例代码如下：
void printfCommandHint()
{// 获取用户名char* user = getenv("USER");// 获取主机名char* hostname = getenv("HOSTNAME");// 获取当前工作路径char* pwd = getenv("PWD");// 打印信息printf("[%s@%s %s]%c", user, hostname, pwd,strcmp(user, "root") == 0 ? '#' : '$');
}获取用户输入
获取用户输入可以有很多方法，但是如果直接使用scanf或者cin则无法一次性获取到用户输入的指令和选项，所以直接使用scanf和cin是不妥的，可以考虑使用使用fgets或者getline来代替
另外，因为不论是fgets还是getline，都默认以\n作为结束标志，但是需要注意，fgets尽管以\n结束，但是依旧会被读取到目标字符串中，但是getline不会，所以使用fgets一定要清除\n
需要注意的是，为了保证其他函数可以获取到输入的内容，可以定义一个数组存储输入的内容，但是这个数组不可以是一个局部变量，除非作为参数传递而不作为返回值，防止出现野指针问题
下面给出两种版本：
fgets版本：
const int BaseSize = 1024;
// 存储用户的输入的数组
char input_arr[BaseSize];char* getInput()
{// fgets以\n结束，但是会读取\nfgets(input_arr, BaseSize, stdin);// 尽管可能没有输入指令。但是输入指令存在\nsize_t sz = strlen(input_arr);// 消除\ninput_arr[sz - 1] = '\0';// 如果没有输入则直接返回空if(sz == 0){return nullptr;}return input_arr;
}getline版本：
char* getInput()
{std::cin.getline(input_arr, BaseSize);if(strlen(input_arr) == 0){return nullptr;}return input_arr;
}拆分用户输入
所谓拆分用户输入，就是为了将用户输入的指令转换成单个字符串，因为指令和选项都是以空格分隔，所以可以考虑将空格作为分隔符，此处因为前面是使用字符数组作为存储字符串的载体，所以考虑使用C语言的strtok函数拆分
拆分出来的内容即为命令行参数，所以还需要一张命令行参数表，该表需要被子进程拿到，所以需要定义为全局变量
最后，因为是持续等待用户输入，所以下一次用户输入新的指令，需要覆盖前面的指令，所以需要对命令行参数个数和命令行参数列表全部重置
示例代码：
void parseInput()
{// 清空上一次的命令行参数和个数memset(global_argv, 0, BaseSize);global_argc = 0;// 拆分读取的字符串for(char* ch = strtok(input_arr, " "); (bool)ch; ch = strtok(nullptr, " "))global_argv[global_argc++] = ch;
}执行对应程序
对于外部命令，需要创建一个子进程来执行，所以基本流程就是创建子进程，让子进程调用exec家族函数执行对应程序，这里推荐选用execvp函数，而对于父进程来说，只需要等待子进程执行结束回收子进程即可
示例代码如下：
void executeProgram()
{pid_t id = fork();if(id == 0){execvp(global_argv[0], global_argv);exit(0);}// 父进程等待waitpid(id, nullptr, 0);
}内建命令处理
前面四个步骤已经完成了一个基本的shell，在Linux中，绝大部分的命令都是外部命令，但是前面提到除了外部命令还有内建命令，例如cd、echo、export等，而内建命令是不可以交给子进程处理的，因为子进程处理只是改变子进程的状态，不会影响父进程，而cd、echo、export这些命令本质修改的就是当前父进程的属性，所以为了保证这些内建命令生效，需要单独对这些命令进行处理
最简单的处理方式就是在子进程执行前进行判断，如果是内建命令就直接由当前进程执行，而不交给子进程，本次分别处理下面的内建命令：
cd命令export命令env命令
cd命令处理
cd命令的主要作用是更改当前的工作路径，所以当用户执行cd命令时，程序内部需要执行chdir函数来更改当前的工作路径cwd，示例代码如下：
bool checkIfBuiltInAndExecute()
{if(strcmp(global_argv[0], "cd") == 0){// 判断是否有两个参数防止越界访问if(global_argc == 2){chdir(global_argv[1]);return true;}}return false;
}处理完cd命令可以发现尽管更改了工作路径，但是终端提示内容没有改变，原因是当前终端提示内容是程序加载时从父进程（系统shell）继承的环境变量，此时不论多少次获取，都只会读取到程序启动时的继承环境变量，所以pwd的值自始至终都是最开始启动的值，为了解决这个问题，可以将getenv函数换成getcwd函数
示例代码如下：
void printfCommandHint()
{// 存储当前工作路径char current_wd[BaseSize];// 获取用户名char* user = getenv("USER");// 获取主机名char* hostname = getenv("HOSTNAME");// 获取当前工作路径getcwd(current_wd, BaseSize);// 打印信息printf("[%s@%s %s]%c ", user, hostname, current_wd,strcmp(user, "root") == 0 ? '#' : '$');
}单独处理回到家目录的情况：
bool checkIfBuiltInAndExecute()
{if(strcmp(global_argv[0], "cd") == 0){// 判断是否有两个参数防止越界访问if(global_argc == 2){// 处理cd ~if(strcmp(global_argv[1], "~") == 0){std::string user(getenv("USER"));if(user == "root"){chdir("/root");}else {chdir(getenv("HOME"));}}else {chdir(global_argv[1]);}return true;}}return false;
}export命令处理
export命令是将指定的环境变量导入到当前进程对应的环境变量表，所以也不可以交给子进程处理，当前模拟的shell所有的环境变量均是与系统shell共享的，因为并没有修改，一旦修改，就会发生写时拷贝，为了让模拟的shell拥有自己的环境变量，可以在程序启动时，加载父进程的环境变量到当前的模拟shell程序中，再处理export命令
模拟的shell复制系统shell的环境变量示例代码如下：
// 环境变量表
char* global_env[BaseSize];
// 声明父进程的环境变量表
extern char** environ;void initShell()
{// 拷贝父进程的环境变量表for(size_t i = 0; environ[i]; i++){global_env[i] = environ[i];}// 最后一个位置置为空global_env[strlen(*(environ))] = nullptr;
}处理export命令如下：
bool checkIfBuiltInAndExecute()
{// ...else if(strcmp(global_argv[0], "export") == 0){if(global_argc == 2){size_t i = 0;// 先找到环境变量表为空位置for(; global_env[i]; i++);// 添加新的环境变量，不考虑重复，理论上不会出现空间不足导致越界global_env[i] = (char*)malloc(sizeof(strlen(global_argv[1])));strncpy(global_env[i], global_argv[1], (strlen(global_argv[1]) + 1));global_env[++i] = nullptr;return true;}}return false;
}env命令处理
env本质就是遍历当前进程的环境变量，因为当前模拟的shell进程的环境变量表已经拷贝完成，所以只需要遍历拷贝后的环境变量表
示例代码如下：
bool checkIfBuiltInAndExecute()
{// ...else if(strcmp(global_argv[0], "env") == 0){for(size_t i = 0; global_env[i]; i++){printf("%s\n", global_env[i]);}return true;}return false;
}echo命令处理
本次修改的echo主要考虑两种情况：
echo $?：打印上一次进程的退出信息码echo 字符串：打印指定字符串
对于第一种，考虑创建一个全局变量接收每一个指令执行后的退出码，对于内建命令使用自定义退出码，对于外部命令通过status变量和相关的宏操作获取
对于第二种，考虑直接打印字符串即可
示例代码如下：
// 添加退出码位置与echo命令设置
bool checkIfBuiltInAndExecute()
{if(strcmp(global_argv[0], "cd") == 0){// ...exitCode = NORMAL;return true;}else if(strcmp(global_argv[0], "export") == 0){// ...exitCode = NORMAL;return true;}else if(strcmp(global_argv[0], "env") == 0){// ...exitCode = NORMAL;return true;}else if(strcmp(global_argv[0], "echo") == 0){// 获取第二个参数的第一个字符和第二个字符if(global_argv[1][0] == '$' && global_argv[1][1]){printf("%d\n", exitCode);}else {// 直接输出字符串printf("%s\n", global_argv[1]);}// 将上一次的退出码置为0exitCode = NORMAL;return true;}exitCode = FAILED;return false;
}// 其他位置
void executeProgram()
{// ...// 存储进程退出码int status = 0;// 父进程等待pid_t rid = waitpid(id, &status, 0);// 正常回收情况下if(rid > 0){if(WIFEXITED(status)){// 正常退出码exitCode = WEXITSTATUS(status);}else if(WIFSIGNALED(status)) {// 被信号终止exitCode = WTERMSIG(status);}}
}优化
修改了父进程的环境变量后，子进程应该拿到的是当前父进程的环境变量，所以将开始的execvp函数改为execvpe函数：
void executeProgram()
{// ...execvpe(global_argv[0], global_argv, global_env);// ...
}观察终端提示符可以发现，模拟的shell程序会显示从根路径一直到当前路径，为了尽可能还原，可以考虑将获取到的字符串按照/进行截取，一共分为两种情况：
- 在根目录：路径只有一个
/ - 不在根目录：最后一个目录是所需
所以可以考虑将最后一个/作为标志，反向取出字符，直到遇到最后一个/，单独处理根目录的情况即可，示例代码如下：
std::string getCwd()
{char current_wd[BaseSize];getcwd(current_wd, BaseSize);std::string s1(current_wd);if(s1.size() == 1){return s1;}std::string ret;// 反向遍历字符串，直到遇到第一个/auto rit = s1.rbegin();while(rit != s1.rend()){if((*rit) == '/'){break;}ret.push_back((*rit));++rit;}// 反转字符串reverse(ret.begin(), ret.end()); return ret;
}也可以使用下面的版本：
std::string getCwd()
{ char current_wd[BaseSize];getcwd(current_wd, BaseSize);std::string user(current_wd);// 如果是根目录，直接返回/if (user.size() == 1){return user;}// 否则从末尾向前找倒数第一个/size_t pos = user.rfind("/");// 返回找到后的字符串进行截取return user.substr(pos + 1);
}