【Linux】模拟实现bash（简易版）

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前言

简单回顾一下往期知识，命令行解释器bash只是一个”外壳程序"，而操作系统则称为“内壳程序”，这是因为操作系统不相信用户，因此我们用户只能通过“外壳程序”将指令进行翻译给操作系统，操作系统再将结果通过“外壳程序”返回给用户。

以上图片来自于【往期博客】

由于目前学习到的知识有限，后面会慢慢更新相关接口 ~

一、用户输入

首先命令行bash需要提示类似于：[用户名@主机名 当前目录]$。我们可以使用以下系统调用接口来获取它们：

1. 获取用户名

#include <unistd.h>
char *getlogin();

2. 获取主机名

#include <unistd.h>
int gethostname(char *name, size_t len);

其中：

• 该函数的功能是将主机名复制到 name 指向的缓冲区中（字符数组），注意name 缓冲区应该足够大以容纳主机名。

• 第二个参数len 是缓冲区的长度（数组长度）。

• 返回值：

  • 成功返回0，并将主机名复制到 name 指向的缓冲区中。
  • 失败返回 -1。

3. 获取当前工作目录路径

#include <unistd.h>
char *getcwd(char *buf, size_t size);

其中：

• 该函数的功能是将当前工作目录的绝对路径复制到 buf 指向的缓冲区中，并保证以空字符 \0 结尾。注意：传递给 getcwd() 的缓冲区应该足够大。

• size 参数表示缓冲区的大小。

• 函数的返回值：

  • 如果成功， buf 指向的缓冲区地址。
  • 如果失败，返回 NULL。

有了以上接口，我们就可以用代码来实现了

接下来就应该轮到用户输入指令，本质就是输入字符串。

这里需要注意的是，由于我们输入的指令可以带选项，那么必定是带空格的（如ls -al），而 scanf默认遇到空格或者换行就不读取了。除非你使用修饰符配合scanf函数

char str[100];
scanf("%[^\n]", str); // 可以读空格和换行

除以上方法以外，fgets函数也可以读取空格和换行

#include <stdio.h>
char *fgets(char *s, int size, FILE *stream);

其中：

• 第一个参数：用于存储从输入流中读取的数据。一般是一个字符数组。
• 第二个参数：计算整个字符数组的大小。
• 第三个参数：这个参数指定了从哪个文件流中读取数据。在大多数情况下，我们使用标准输入流，即键盘输入，因此会传递stdin。
• 返回值：读取数据成功时返回一个指向目标缓冲区的指针，如果读取失败或者到达文件结尾时返回NULL。

以上程序还有缺陷，那就是当我们输入完一条指令后，bash把结果返回给我们后，会继续重复提示我们输入指令。而我们目前写的程序执行完一条指令后就退出进程。因此，以上程序应当是一个循环。

二、指令分割

当用户输入完指令，我们要进行指令分割为后面【程序替换】做准备。

由于一开始我们使用fgets函数将最后的回车\n给读取到了command数组，因此我们要将其去掉（置为'\0'即可）

接下来我们进行分割命令行参数，C语言提供了字符串分割函数 strtok。当然你也可以自己手撕一个hh

#include <string.h>
char *strtok(char *str, const char *delim);

其中：

• str：要分割的字符串，第一次调用时传入待分割的字符串，后续调用传NULL继续分割该字符串，函数会继续在上一次调用的字符串中查找下一个标记的位置。
• delim：分隔符的字符串，即用来确定标记边界的字符集合。
• strtok() 函数返回一个指向分割后的标记的指针，如果没有找到标记，则返回NULL。

三、程序替换

3.1 外部命令

对于外部命令，shell则会创建一个子进程，并在子进程中进行程序替换来执行这些命令。在执行完成后，Shell会等待子进程退出，并获取子进程的退出码。

如上所示，有很多替换函数供我们选择，为了方便，尽量不要选择带l，因为我们已经将命令行参数分割好了在字符指针数组argv中，而无需一一列举；另外，我们也不要选择不带p的，因为这样还需要我们自己去写完整的文件路径。

综上，我们可以使用execvpe函数。另外，environ是全局变量它是由标准C库提供的，当用户登录时，shell会读取用户目录下的.bash_profile文件，里面保存了导入环境变量的方式。

如上所示，我们执行的命令确实起效了，但是还是有些缺陷，比如ls显示出来的文件没有高亮；以及ll(ls -l重命名）没有效果，因此我们的代码还是可以再改造改造。

我们可以先来解决ls显示的文件没有高亮的问题

因此，我们只需要对argv数组添加一个命令行参数，也就是--color=auto即可

最后来解决ll未显示出结果的问题。

3.2 内建命令

什么是内建命令呢？比如以cd为例，子进程执行cd命令改变了子进程的工作目录，由于父子进程是相互独立的，子进程改变了，而父进程bash却没有影响。因此，内建命令是不需要通过创建子进程来执行。

Linux中有很多内建命令：

这里我只挑选一些来完善

3.2.1 cd

我们可以使用系统调用接口chdir函数来改变当前进程的工作目录，并且它对于特殊的路径 .. 也可以完成对应的更改，但除了cd ~和cd -，分别是返回家目录和返回最近一次访问的目录，注意：家目录和最近一次访问目录可以通过环境变量来获取。

但需要注意的是：改变当前进程的工作目录不会直接影响环境变量 PWD，我们需要手动更新。（以上环境变量只截取了部分）

步骤如下：

1. 调用getcwd函数更新pwd数组

2. 将pwd替换掉原来环境变量PWD的值即可

我们可以使用sprintf函数来替换。sprintf 函数是 C 语言中的一个标准库函数，用于将格式化的数据写入一个字符串中。

#include <stdio.h>
int sprintf(char *str, const char *format, ...);

其中：

• str 是一个指向字符数组的指针，指向需要修改的字符串
• 后面的参数就和printf函数一样了

（以上环境变量只截取了部分）

3.2.2 export

这个看似非常简单，比如添加环境变量export x=333，那么直接使用putenv(argv[1])（其中argv[0]表示export，argv[1]表示x=333）

如果你是以上这样做法导致第一次添加可能成功，但第二次添加后，第一次添加的就没了。这是因为argv[1] 中的内容是不断变化的，第二次添加就覆盖了第一次添加。

正确做法：

• 一般用户自定义的环境变量，在 bash 中需要用户自己维护一个字符指针数组。

• 先将待添加的环境变量拷贝至指针数组

• 再从中读取，并调用 putenv 函数添加至环境变量表

3.2.3 echo

• echo首先需要能获取最近一次进程的退出状态

本应当返回ls进程的退出状态，而他原原本本返回了$?

• 我们打印环境变量，例如$PATH会出现什么都没输出的现象

• 输出字符串会带双引号的情况

四、总结及源码

所谓的shell也是一个进程，它可以获取用户的输入，然后对用户的输入做分析。对于内建命令，shell会直接调用函数来执行；而对于外部命令，shell则会创建一个子进程，并在子进程中进行进程替换来执行相对应的命令。在执行完成后，shell会等待子进程退出，并获取子进程的退出码。

• 获取源码：点击跳转