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Linux
系统主要分为 内核(kernel)
和 外壳(shell)
,普通用户是无法接触到内核的,因此实际在进行操作时是在和外壳程序打交道,在 shell
外壳之上存在 命令行解释器(bash)
,负责接收并执行用户输入的指令,本文模拟实现的就是一个 简易版命令行解释器
1、bash本质
在模拟实现前,先得了解 bash
的本质
bash
也是一个进程,并且是不断运行中的进程
证明:常显示的命令输入提示符就是 bash
不断打印输出的结果
输入指令后,bash
会创建子进程,并进行程序替换
证明:运行自己写的程序后,可以看到当前进程的 父进程
为 bash
此时可以断定神秘的 bash
就是一个运行中的进程,因为进程间具有独立性,因此可以同时存在多个 bash
,这也是多用户登录 Linux
可以同时使用 bash
的重要原因
系统自带的 bash
是一个庞然大物,我们只需根据其本质,实现一个简易版 bash
就行了
图片源自知乎《Linux内核有多少行源代码?》
2、需求分析
bash
需要帮我们完成命令解释+程序替换的任务,因此它至少要具备以下功能:
- 接收指令(字符串)
- 对指令进行分割,构成有效信息
- 创建子进程,执行进程替换
- 子进程运行结束后,父进程回收僵尸进程
- 输入特殊指令时的处理
进程相关知识都已经在前面介绍过了,本文着重介绍的是其他步骤及细节
3、基本框架
抛开指令接收、切割、替换时的细节,简易版 bash
代码基本框架如下:
#include #include #include #include #include #include #include //指令分割函数void split(char* argv[ARGV_SIZE], char* ps){}int main(){ //这是一个始终运行的程序:bash while(1) { //打印提示符 printf("[User@myBash default]$ ");//可以自定义,跟着标准走 fflush(stdout);//手动清空缓冲区 //读取指令 //指令分割 //子进程进行程序替换 pid_t id = fork(); if(id == 0) { //直接执行程序替换,这里使用 execvp execvp();//具体细节先忽略 exit(168); //替换失败后返回,这个值可以自定义 [0, 255] } //父进程等待子进程终止,回收僵尸进程 int status = 0; waitpid(id, &status, 0); //在等待队列中阻塞 if(WIFEXITED(status)) { //假如程序替换失败 //关于打印的错误信息:也可以自定义,格式跟着标准走 if(WEXITSTATUS(status) == 168) printf("%s: Error - %s\n", argv[0], "The directive is not yet defined"); } else//如果子进程被异常终止,打印相关信息 printf("process run fail! [code_dump]:%d [exit_signal]:%d\n", (status >> 7) & 1, status & 0x7F); //子进程异常终止的情况 } return 0;}
这只是简易版 bash
的基本框架,其他细节将会在后续补充完整
4、核心内容
核心内容主要为 读取
、切割
、替换
这三部分,逐一实现,首先从指令读取开始
4.1、指令读取
读取指令前,首先要清楚待读取命令可能有多长
- 常见命令如
ls -a -l
长度不超过10
- 为了避免极端情况,这里预设命令最大长度为
1024
- 使用数组进行指令存储(缓冲区)
#define COM_SIZE 1024char command[COM_SIZE];//缓冲区
得到缓冲区后,就得考虑什么是指令?如何读取指令?
Linux
中的大部分指令由指令 [选项]
构成,在指令
和[选择]
间有空格- 常规的
scanf
无法正常读取指令,因为空格会触发输入缓冲区刷新 - 这里主要使用
fgets
逐行读取,可以读取到空格
//读取指令//因为有空格,所以需要逐行读取fgets(command, COM_SIZE, stdin);assert(command); //不能输入空指令(void)command; //防止在 Release 版本中出错command[strlen(command) - 1] = '\0'; //将最后一个字符 \n 变成 \0
注意: 可能存在读取失败的情况,assert
断言解决;因为 fgets
也会把最后的 '\n'
读进去,为了避免出错,手动置为 '\0'
4.2、指令分割
获得指令后,就需要将指令进行分割
就像伐木后需要再次分割利用一样,指令也需要经过分割才能利用~
为何要分割指令?
- 程序替换时,需要使用
argv
表,这张表由指令
、选项
、NULL
构成 - 利用指令间的空格进行分割
如何分割指令?
C语言
提供了字符串分割函数strtok
,可以直接使用- 当然也可以手动实现分割
指令分割后呢?
- 将分割好的指令段,依次存入
argv
表中,供后续程序替换使用 argv
表实际为一个指针数组,可以存储字符串
如 command
一样,表 argv
也需要考虑大小,这里设置为 64
,实际使用时也就分割为四五个指令段
#define ARGV_SIZE 64 //指令分割 //将连续的指令分割为 argv 表 char* argv[ARGV_SIZE];//指针数组 split(argv, command);
利用 strtok
实现指令分割函数 split()
#define DEF_CHAR " "//预设分割项,需为字符串void split(char* argv[ARGV_SIZE], char* ps){ assert(argv && ps); //调用 C语言 中的 strtok 函数分割字符串 int pos = 0; argv[pos++] = strtok(ps, DEF_CHAR); //有空格就分割 while(argv[pos++] = strtok(NULL, DEF_CHAR)); //不断分割 argv[pos] = NULL; //确保安全}
注意: 指令分割结束后,需要在添加 argv
表结尾 NULL
4.3、程序替换
获得实际可用的 argv
表后,就可以开始子进程程序替换操作了
这里使用的是函数 execvp
,理由:
v
表示vector
,正好和我们的argv
表对应p
为path
,可以根据argv[0]
(指令),在PATH
中寻找该程序并替换
当然也可以使用 execve
系统级替换函数
//子进程进行程序替换pid_t id = fork();if(id == 0){ //直接执行程序替换,这里使用 execvp execvp(argv[0], argv); exit(168); //替换失败后返回}
注意: 程序替换成功后,exit(168)
语句不会执行
4.4、实机演示
将 基本框架
+ 核心内容
合并编译后,得到了这样一个程序:
动图Gif
可以看到,bash
的基本雏形已经形成,不过还存在一些不足,比如 ls
命令显示文件无高亮、cd
命令无法切换、环境变量无法添加至子进程等,这些问题都可以通过特殊处理避免
5、特殊情况处理
对特殊情况进行处理,使 myBash
更加完善
5.1、ls 显示高亮
系统中的 bash
在面对 ls
等文件显示指令时,不仅会显示内容,还会将特殊文件做颜色高亮处理,比如在我的环境下,可执行文件显示为绿色
实现原理
- 在指令结尾加上
--color=auto
语句,即可实现高亮
处理这个问题很简单,在指令分割结束后,判断是否为 ls
,如果是,就在 argv
表后尾插入语句 --color=auto
即可
//特殊处理//颜色高亮处理,识别是否为 ls 指令if(strcmp(argv[0], "ls") == 0){ int pos = 0; while(argv[pos++]); //找到尾 argv[pos - 1] = (char*)"--color=auto"; //添加此字段 argv[pos] = NULL; //结新尾}
注意:
- 因为
argv
表中的元素类型为char*
,所以在尾插语句时,需要进行类型转换 - 尾插语句后,需要再次添加结尾,确保安全
5.2、内建命令
内建命令是比较特殊的命令,不同于普通命令直接进行程序替换,内建命令需要进行特殊处理,比如 cd
命令调用系统级接口 chdir
让 父进程(myBash)
进行目录间的移动
资料来源:互联网
5.3、cd
首先实现不同目录间的切换
切换的本质:令当前 bash
移动至另一个目录下,不能直接使用 子进程
,因为需要移动的是 父进程(bash)
对于当前的 myBash
来说,cd
没有丝毫效果,因为此时 指令会被拆分后交给子进程处理,这个方向本身就是错误的
特殊情况特殊处理,同 ls
高亮一样,对指令进行识别,如果识别到 cd
命令,就直接调用 chdir
函数令当前进程 myBash
移动至指定目录即可(不必再创建子进程进行替换)
//目录间移动处理if(strcmp(argv[0], "cd") == 0){ //直接调用接口,然后 continue 不再执行后续代码 if(strcmp(argv[1], "~") == 0) chdir("/home"); //回到家目录 else if(strcmp(argv[1], "-") == 0) chdir(getenv("OLDPWD")); else if(argv[1]) chdir(argv[1]); //argv[1] 中就是路径 continue; //终止此次循环}
注意: 如果路径为空,不进行操作;如果路径为 ~
,回到家目录;cd -
指令依赖于 OLDPWD
这个环境变量,直接拿来用即可
5.4、export
export
添加环境变量,添加的是父进程 myBash
的环境变量,而非子进程,需要特殊处理
解决方法:
- 先将待添加的环境变量拷贝至缓冲区
- 再从缓冲区中读取,并调用
putenv
函数添加至环境变量表
为何不能直接通过 putenv
添加至环境变量表中?
argv[1]
中的内容是不断变化的,不能直接使用- 一般用户自定义的环境变量,在
bash
中需要用户自己维护 - 最好的方案就是使用缓冲区进行环境变量的拷贝放置,因为缓冲区中的内容不易变
错误体现:直接使用 putenv(argv[1])
,导致第一次添加可能成功,但第二次添加后,第一次的环境变量会被覆盖
正确解法是借助缓冲区 myEnv
#define COM_SIZE 1024#define ARGV_SIZE 64char myEnv[ARGV_SIZE][COM_SIZE];//二维数组int env_pos = 0;//专门维护此缓冲区
注意: 此缓冲区定义在循环之外
char myEnv[COM_SIZE][ARGV_SIZE]; //大小与前面有关int env_pos = 0; //专门维护缓冲区//这是一个始终运行的程序:bashwhile(1){//…… 省略部分代码 //环境变量相关 if(strcmp(argv[0], "export") == 0) { if(argv[1]) { strcpy(myEnv[env_pos], argv[1]); putenv(myEnv[env_pos++]); } continue; //一样需要提前结束循环 }}
除了 export
需要特殊处理外,env
查看环境变量表也需要特殊处理,因为此时的 env
查看的是 父进程(myBash)
的环境变量表,因此不需要将指令交给 子进程
处理
//注意:此函数实现于主函数外void showEnv(){ extern char** environ; //使用当前进行的环境变量表 int pos = 0; for(; environ[pos]; printf("%s\n", environ[pos++]));}//环境变量表if(strcmp(argv[0], "env") == 0){ showEnv(); //调用函数,打印父进程的环境变量表 continue; //提前结束本次循环}
完善后,env
指令显示的才是正确进程的环境变量表
5.5、echo
echo
命令也属于内建命令,其能实现很多功能,比如:查看环境变量
、查看最近一个进程的退出码
、输出重定向
等,其中前两个实现比较简单,最后一个需要 基础IO
相关知识,后续更新补上
查看环境变量
echo
指令查看环境变量时,指令长这样 echo $环境变量
,可以先判断 argv[1][0]
是否为 $
,如果是,就直接根据 argv[1][1]
获取环境变量信息并打印即可
代码实现如下
//echo 相关//只有 echo $ 才做特殊处理(环境变量+退出码)if(strcmp(argv[0], "echo") == 0 && argv[1][0] == '$'){ if(argv[1] && argv[1][0] == '$') printf("%s\n", getenv(argv[1] + 1)); continue;}
echo
还能查看退出码:echo $?
,对上述程序进行改造即可实现
退出码从何而来?
- 很简单,父进程在等待子进程结束后,可以轻而易举的获取其退出码
- 将退出码保存在一个全局变量中,供
echo $?
指令使用即可
int exit_code = 0; //保存退出码的全局变量
代码实现:
//echo 相关//只有 echo $ 才做特殊处理(环境变量+退出码)if(strcmp(argv[0], "echo") == 0 && argv[1][0] == '$'){ if(argv[1] && argv[1][0] == '$') { if(argv[1][1] == '?') printf("%d\n", exit_code); else printf("%s\n", getenv(argv[1] + 1)); } continue;}
关于 echo
重定向的内容,后面有空再更新
5.6、重定向
2023.3.28
更新,新增重定向内容,修复部分问题
重定向的本质:关闭默认输出/输入流,打开新的文件流,从其中写入/读取数据
重定向的三种情况:
echo 字符串 > 文件
向文件中写入数据,写入前会先清空内容echo 字符串 >> 文件
向文件中追加数据,追加前不会先清空内容可执行程序 < 文件
从文件中读取数据给可执行程序
所以实现重定向的关键在于判断指令中是否含有 >
、>>
、<
这三个字符,如果有,就具体问题具体分析,完成重定向
具体实现步骤:
- 判断字符串中是否含有目标字符,如果有,就置当前位置为
'\0‘
,其后半部分不参与指令分割 - 后半部分就是文件名,在打开文件时需要使用
- 根据不同的字符,设置不同的标记位,用于判断打开文件的方式(只写、追加、只读)
- 判断是否需要进行重定向,如果需要,在子进程创建后,打开目标文件,并调用
dup2
函数进行标准流的替换
关于系统级文件打开函数 open
的更多信息这篇文章中有介绍 《Linux基础IO【文件理解与操作】》
open
函数的打开选项
O_RDONLY//只读O_WRONLY | O_CREAT | O_TRUNC//只写O_WRONLY | O_CREAT | O_APPEND//追加
标准流交换函数 dup2
//给参数1传打开文件后的文件描述符,给参数2传递待关闭的标准流//读取:关闭0号流//写入、追加:关闭1号流int dup2(int oldfd, int newfd);
下面是具体代码实现
//在读取指令后,就进行判断:是否需要重定向//重定向//在获取指令后进行判断//如果成立,则获取目标文件名 filenamechar *filename = checkDir(command);
//枚举类型,用于判断不同的文件打开方式enum redir{ REDIR_INPUT = 0,//读取 REDIR_OUTPUT,//写入 REDIR_APPEND,//追加 REDIR_NONE//空}redir_type = REDIR_NONE; //创建对象 redir_type,默认为 NONE//检查是否出现重定向符char* checkDir(char* command){ //从右往左遍历,遇到 > >> < 就置为 '\0' size_t end = strlen(command); //与返回值相匹配 char* ps = command + end; //为了避免出现无符号-1,这里采取错位的方法 while(end != 0) { if(command[end - 1] == '>') { if(command[end - 2] == '>') { command[end - 2] = '\0'; redir_type = REDIR_APPEND; return ps; } command[end - 1] = '\0'; redir_type = REDIR_OUTPUT; return ps; } else if(command[end - 1] == '<') { command[end - 1] = '\0'; redir_type = REDIR_INPUT; return ps; } //如果不是空格,就可以更新 ps指向 if(*(command + end - 1) != ' ') ps = command + end - 1; end--; } return NULL; //如果没有重定向符,就返回空}
//子进程进行程序替换pid_t id = fork();if(id == 0){ //判断是否需要进行重定向 if(redir_type == REDIR_INPUT) { int fd = open(filename, O_RDONLY); dup2(fd, 0); //更改输入,读取文件 filename } else if(redir_type == REDIR_OUTPUT) { int fd = open(filename, O_WRONLY | O_CREAT | O_TRUNC, 0666); dup2(fd, 1); //写入 } else if(redir_type == REDIR_APPEND) { int fd = open(filename, O_WRONLY | O_CREAT | O_APPEND, 0666); dup2(fd, 1); //追加 } //直接执行程序替换,这里使用 execvp execvp(argv[0], argv); exit(168); //替换失败后返回}
具体效果(A.txt 为空,B.txt 已存在内容,程序 a.out 可以读取字符串并输出):
注意: 当前实现的重定向只是最简单的标准流替换,实际重定向更加复杂
6、源码
本次实现的 myBash
如下所示,拷贝编译运行后,即可使用
#include #include #include #include #include #include #include #include #include #define COM_SIZE 1024#define ARGV_SIZE 64#define DEF_CHAR " "void split(char* argv[ARGV_SIZE], char* ps){ assert(argv && ps); //调用 C语言 中的 strtok 函数分割字符串 int pos = 0; argv[pos++] = strtok(ps, DEF_CHAR); //有空格就分割 while(argv[pos++] = strtok(NULL, DEF_CHAR)); //不断分割 argv[pos] = NULL; //确保安全}void showEnv(){ extern char** environ; //使用当前进行的环境变量表 int pos = 0; for(; environ[pos]; printf("%s\n", environ[pos++]));}//枚举类型,用于判断不同的文件打开方式enum redir{ REDIR_INPUT = 0, REDIR_OUTPUT, REDIR_APPEND, REDIR_NONE}redir_type = REDIR_NONE; //创建对象 redir_type,默认为 NONE//检查是否出现重定向符char* checkDir(char* command){ //从右往左遍历,遇到 > >> < 就置为 '\0' size_t end = strlen(command); //与返回值相匹配 char* ps = command + end; //为了避免出现无符号-1,这里采取错位的方法 while(end != 0) { if(command[end - 1] == '>') { if(command[end - 2] == '>') { command[end - 2] = '\0'; redir_type = REDIR_APPEND; return ps; } command[end - 1] = '\0'; redir_type = REDIR_OUTPUT; return ps; } else if(command[end - 1] == '<') { command[end - 1] = '\0'; redir_type = REDIR_INPUT; return ps; } //如果不是空格,就可以更新 ps指向 if(*(command + end - 1) != ' ') ps = command + end - 1; end--; } return NULL; //如果没有重定向符,就返回空}int main(){ char myEnv[COM_SIZE][ARGV_SIZE]; //大小与前面有关 int env_pos = 0; //专门维护缓冲区 int exit_code = 0; //保存退出码的全局变量 //这是一个始终运行的程序:bash while(1) { char command[COM_SIZE]; //存放指令的数组(缓冲区) //打印提示符 printf("[User@myBash default]$ "); fflush(stdout); //读取指令 //因为有空格,所以需要逐行读取 fgets(command, COM_SIZE, stdin); assert(command); //不能输入空指令 (void)command; //防止在 Release 版本中出错 command[strlen(command) - 1] = '\0'; //将最后一个字符 \n 变成 \0 //重定向 //在获取指令后进行判断 //如果成立,则获取目标文件名 filename char *filename = checkDir(command); //指令分割 //将连续的指令分割为 argv 表 char* argv[ARGV_SIZE]; split(argv, command); //特殊处理 //颜色高亮处理,识别是否为 ls 指令 if(strcmp(argv[0], "ls") == 0) { int pos = 0; while(argv[pos++]); //找到尾 argv[pos - 1] = (char*)"--color=auto"; //添加此字段 argv[pos] = NULL; //结尾 } //目录间移动处理 if(strcmp(argv[0], "cd") == 0) { //直接调用接口,然后 continue 不再执行后续代码 if(strcmp(argv[1], "~") == 0) chdir("/home"); //回到家目录 else if(strcmp(argv[1], "-") == 0) chdir(getenv("OLDPWD")); else if(argv[1]) chdir(argv[1]); //argv[1] 中就是路径 continue; //终止此次循环 } //环境变量相关 if(strcmp(argv[0], "export") == 0) { if(argv[1]) { strcpy(myEnv[env_pos], argv[1]); putenv(myEnv[env_pos++]); } continue; //一样需要提前结束循环 } //环境变量表 if(strcmp(argv[0], "env") == 0) { showEnv(); //调用函数,打印父进程的环境变量表 continue; //提前结束本次循环 } //echo 相关 //只有 echo $ 才做特殊处理(环境变量+退出码) if(strcmp(argv[0], "echo") == 0 && argv[1][0] == '$') { if(argv[1] && argv[1][0] == '$') { if(argv[1][1] == '?') printf("%d\n", exit_code); else printf("%s\n", getenv(argv[1] + 1)); } continue; } //子进程进行程序替换 pid_t id = fork(); if(id == 0) { //判断是否需要进行重定向 if(redir_type == REDIR_INPUT) { int fd = open(filename, O_RDONLY); dup2(fd, 0); //更改输入,读取文件 filename } else if(redir_type == REDIR_OUTPUT) { int fd = open(filename, O_WRONLY | O_CREAT | O_TRUNC, 0666); dup2(fd, 1); //写入 } else if(redir_type == REDIR_APPEND) { int fd = open(filename, O_WRONLY | O_CREAT | O_APPEND, 0666); dup2(fd, 1); //追加 } //直接执行程序替换,这里使用 execvp execvp(argv[0], argv); exit(168); //替换失败后返回 } //父进程等待子进程终止 int status = 0; waitpid(id, &status, 0); //在等待队列中阻塞 exit_code = WEXITSTATUS(status); if(WIFEXITED(status)) { //假如程序替换失败 if(exit_code == 168) printf("%s: Error - %s\n", argv[0], "The directive is not yet defined"); } else printf("process run fail! [code_dump]:%d [exit_signal]:%d\n", (status >> 7) & 1, status & 0x7F); //子进程异常终止的情况 } return 0;}
以上就是本次关于 简易版 bash 模拟实现
的全部内容了,相信你在看完本文后,也能手搓出一个简易版 bash
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来源地址:https://blog.csdn.net/weixin_61437787/article/details/129709472