写一个简单的 Linux Shell (C++)

这里可以找到代码

github.com/z0gSh1u/expshell

支持的特性

• 单条指令的执行
• 引号引起的参数（如 $ some_program "hello, world" ）
• 重定向（>、< ）
• 管道（|）
• 内建指令（如 cd、history、quit）
• 指令别名（如 ll → ls -l）
• 家目录（~）

运行截图

如何写一个简单的 Shell

这里简单介绍写 Shell 时比较关键的一些部分，具体请查看源代码。

展示提示符

见 show_command_prompt 函数。

command_prompt 是在每行最开始显示的一段与用户名、路径等相关的提示信息。ExpShell 显示的 prompt 形如 [root@localhost tmp]>。用 > 而非 #、$ 作为提示符，以区分原生 Shell。

• 获取用户名

  passwd *pwd = getpwuid(getuid());
  string username(pwd->pw_name);
  

• 获取当前目录

  getcwd(char_buf, CHAR_BUF_SIZE);
  string cwd(char_buf);
  

  • prompt 中目录只显示最近一级，此处用 / 来 split 后取最后一个即可
  • 家目录需要折叠为 ~，这里顺便把家目录地址存到全局变量 home_dir，后续要用到

• 获取主机名

  gethostname(char_buf, CHAR_BUF_SIZE);
  string hostname(char_buf);
  

  • 有时 hostname 会是形如 localhost.locald.xxx 的形式，也 split 处理一下

• 输出之即可

  cout << "[" << username << "@" << hostname << " " << cwd << "]> ";
  

解析命令

• 为存储解析结果，定义如下四个类：

  • cmd：各种 cmd 的基类
  • exec_cmd：形如 argv[0] argv[1] ... 的普通命令
  • pipe_cmd：管道命令，形如 left: cmd* | right: cmd*
  • redirect_cmd：重定向命令，形如 cmd_: cmd* > (or <) file

• （最基础的）解析 exec_cmd

  见 parse_exec_cmd 函数。注意这里使用 string_split_protect 函数来 split 出 argv，这样可以保持被引号引起的带空格的 argument 不被拆分。

• 解析一条命令

  见 parse 函数。采用分治法递归地解析命令。

  • 从左到右扫描字符串
  • 如果是普通字符，则读入缓存
  • 如果是重定向符号，将当前缓存解析为 exec_cmd，作为左手边 cmd；继续不断读入直到再次遇到符号或字符串结束，作为右手边 file，构建 redirect_cmd
  • 如果是管道符号，递归地调用 parse 解析右侧剩余，解析结果作为本层递归的右手边，构建 pipe_cmd

• 解析内建命令

  主要支持 cd 、history 和 quit 命令。

  • 调用 exit(0) 即可实现 quit
  • history 命令根据记录打印即可
  • 对于 cd，考虑如下情况
    • 无参 cd 等价于 cd ~
    • 对于形如 cd ~/some_path 的命令，使用 home_dir 替换 ~
    • 其他情况调用 chdir 即可

执行命令

主要见 run_cmd 函数。该函数接收一个 cmd*，递归地完成其链上所有 cmd 的执行。

• 对于 exec_cmd

  • 检查别名，替换别名，例如 ll → ls -l
  • 使用 execvp 函数执行命令
    • 看 这篇博文 了解 exec 族函数，可见 execvp 在当前场景最为合适
    • 第二个参数是一个末元素为 NULL 的 char**（char*[]），内容为 argv

• 对于 pipe_cmd

  • 为 pipe_cmd 的 left 和 right 分别 fork 子进程执行，并使用管道让这两个兄弟进程通信

  • 这张图很好地说明了父子进程使用管道通信的方法

  • 依据上图，不难类比出兄弟进程进行 IPC 的方法如下

    • 父进程 pipe
    • 父进程 fork 两次
    • child1 关读端，重定向写端，执行命令，关写端
    • child2 关写端，重定向读端，执行命令，关读端
    • 父进程关闭读、写端，并 wait

• 对于 redirect_cmd

  • 打开 file，获得 fd
  • 重定向 stdin 或 stdout 到 fd
  • 执行命令
  • 关闭 fd

主函数

在一个死循环中读入当前命令，如果不是 builtin_command，则 fork 子进程进行解析和执行（避免阻塞 ExpShell 自身），执行完成后子进程 exit。

其他细节

• pipe、open、dup2 等方法返回值小于 0 均表示出现错误，需要触发 panic
• 对于 wait 方法的状态字，当 WIFEXITED(status) 为 0 时表示子进程异常退出，使用 WEXITSTATUS(status) 可以进一步获得子进程的 exit code