寫一個簡單的 Linux Shell (C++)

這里可以找到代碼

github.com/z0gSh1u/expshell

支持的特性

• 單條指令的執行
• 引號引起的參數（如 $ some_program "hello, world" ）
• 重定向（>、< ）
• 管道（|）
• 內建指令（如 cd、history、quit）
• 指令別名（如 ll → ls -l）
• 家目錄（~）

運行截圖

如何寫一個簡單的 Shell

這里簡單介紹寫 Shell 時比較關鍵的一些部分，具體請查看源代碼。

展示提示符

見 show_command_prompt 函數。

command_prompt 是在每行最開始顯示的一段與用戶名、路徑等相關的提示信息。ExpShell 顯示的 prompt 形如 [root@localhost tmp]>。用 > 而非 #、$ 作為提示符，以區分原生 Shell。

• 獲取用戶名

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

• 獲取當前目錄

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

  • prompt 中目錄只顯示最近一級，此處用 / 來 split 后取最后一個即可
  • 家目錄需要折疊為 ~，這里順便把家目錄地址存到全局變量 home_dir，后續要用到

• 獲取主機名

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

  • 有時 hostname 會是形如 localhost.locald.xxx 的形式，也 split 處理一下

• 輸出之即可

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

解析命令

• 為存儲解析結果，定義如下四個類：

  • cmd：各種 cmd 的基類
  • 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

• （最基礎的）解析 exec_cmd

  見 parse_exec_cmd 函數。注意這里使用 string_split_protect 函數來 split 出 argv，這樣可以保持被引號引起的帶空格的 argument 不被拆分。

• 解析一條命令

  見 parse 函數。采用分治法遞歸地解析命令。

  • 從左到右掃描字符串
  • 如果是普通字符，則讀入緩存
  • 如果是重定向符號，將當前緩存解析為 exec_cmd，作為左手邊 cmd；繼續不斷讀入直到再次遇到符號或字符串結束，作為右手邊 file，構建 redirect_cmd
  • 如果是管道符號，遞歸地調用 parse 解析右側剩余，解析結果作為本層遞歸的右手邊，構建 pipe_cmd

• 解析內建命令

  主要支持 cd 、history 和 quit 命令。

  • 調用 exit(0) 即可實現 quit
  • history 命令根據記錄打印即可
  • 對於 cd，考慮如下情況
    • 無參 cd 等價於 cd ~
    • 對於形如 cd ~/some_path 的命令，使用 home_dir 替換 ~
    • 其他情況調用 chdir 即可

執行命令

主要見 run_cmd 函數。該函數接收一個 cmd*，遞歸地完成其鏈上所有 cmd 的執行。

• 對於 exec_cmd

  • 檢查別名，替換別名，例如 ll → ls -l
  • 使用 execvp 函數執行命令
    • 看 這篇博文 了解 exec 族函數，可見 execvp 在當前場景最為合適
    • 第二個參數是一個末元素為 NULL 的 char**（char*[]），內容為 argv

• 對於 pipe_cmd

  • 為 pipe_cmd 的 left 和 right 分別 fork 子進程執行，並使用管道讓這兩個兄弟進程通信

  • 這張圖很好地說明了父子進程使用管道通信的方法

    

  • 依據上圖，不難類比出兄弟進程進行 IPC 的方法如下

    • 父進程 pipe
    • 父進程 fork 兩次
    • child1 關讀端，重定向寫端，執行命令，關寫端
    • child2 關寫端，重定向讀端，執行命令，關讀端
    • 父進程關閉讀、寫端，並 wait

• 對於 redirect_cmd

  • 打開 file，獲得 fd
  • 重定向 stdin 或 stdout 到 fd
  • 執行命令
  • 關閉 fd

主函數

在一個死循環中讀入當前命令，如果不是 builtin_command，則 fork 子進程進行解析和執行（避免阻塞 ExpShell 自身），執行完成后子進程 exit。

其他細節

• pipe、open、dup2 等方法返回值小於 0 均表示出現錯誤，需要觸發 panic
• 對於 wait 方法的狀態字，當 WIFEXITED(status) 為 0 時表示子進程異常退出，使用 WEXITSTATUS(status) 可以進一步獲得子進程的 exit code