手把手实现一个 Linux shell
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Linux shell 基本知识
目前市场上主要有三大主流操作系统，除了 windows 系列几乎不需要在终端工作，其它两 大操作系统大部份应该是和终端打交道。当然这和不同系统的定位不一样有很大的关系， W 系主要面向娱乐办公，Linux 系主要是用服务器系统，所以对于程序员来说，或多或少得面 对它。Mac 虽然面向个人用户，但是结合了前两者的优势，娱乐办公和开 发都可以完美应对。在使用 *nix(linux & Mac) 过程中，我们几乎每天都会对着终端一行 行的执行代码，解释我们的名令的程序就是我们所谓的 shell, 也是本文的所讲的对象。 shell 自从诞生以来，也出现各种版本，虽然实现不同，功能都是一样的。本文写个 shell 只是为了学习，没有其它目的。据本人所知，目前流行的 shell 有： bash , zsh , fish , xosh 等，这几种 shell 本人都用过，简单讲奖各自的特点吧， bash 不用说了吧，几乎 所有发行版的默认 shell。 zsh 集装逼与高效于一身的 shell。强烈建议于 oh-my-zsh 一 起使用，省去配置的时间。 fish 小众软件，智能补全，拥有类似 apt 一样的插件管理工 具，但是由于 shell 语法和 bash 不兼容，建议个人使用，不要用于工作中。 xosh 是用 python 实现的，所以终端直接执行 python 语句就可以执行，同时可以执行系统命令。 pythoner 可以尝试一波，随时随地测试 python 语句。
shell 工作流程
介绍完 shell , 下面简单讲讲工作流程：
首先，我们运行一个 shell 程序，它将阻塞等待用户的输入。当用户在标准输入上输入一 行命令文本，这时程序成功读入一行文本，不再阻塞，可以继续执行。接下来将读入的文本 进行切分，将其切分为命令和参数两部分。然后就可以 fork 一个子进程调用 exec 系统调 用运行切分好的命令，父进程 wait 等待子进程的执行结果。最后将执行结果反馈给用户。 等待下一行执行命名的出现。直到用户退出或者信号中断退出。
shell 实现
上面的工作流程说的比较简单，实现也是比较简单的。下面我们就一步步的来实现这个 shell:
本文使用 C++ 实现
可执行程序该有的样子
我们知道，每个程序都有一个入口函数，在 C++ 中，为 main 函数：
int main() {
lsh::lshell lsh;
lsh.loop();
return 0;
}
本人的代码风格类似 linux 风格――小写加下滑线。其中的意思也是字面意思，先创建一 个 shell 实例，然后循环执行命令。
一探循环体究竟
在探索之前，我们先借助点小工具用来表示命令执行返回状态：
/* 命令返回状态 */
enum status_enum {
fork_failed = -1,
success = 0,
exit_s = 1, // 和后面的 exit 有冲突，因此在后边加上 _s
};
进入正菜：
inline void lshell::loop() {
do {
std::cout << ">>> ";
read_line__();
split_line__();
excute__();
clear__();
} while (status_ == status_enum::success);
}
em～～～，和我们之前提到的工作流程一致吧。有些细心的读者发现我给的代码中多了 clear__(), 这个和本人的实现有关了，先留个疑问吧。继续探索。。。
解剖循环体
接下来就是将循环体解剖分开实现了。
读文本
首当其冲的是 read_line__:
inline void lshell::read_line__() { getline(std::cin, line_); }
em~~~~, 就一句话。虽然可以插入到其它代码块中，为了更好理解工作流程，我还是不省这
句代码了。虽然使用函数实现，不过不用担心性能，因为使用编译器关键字 inline 编译
的时候，编译器会用代码替换调用的部分，不会增加调用开销。
拆分文本
C++ 拆分字符串得自己实现，不过实现比较简单。如下：
void lshell::split_line__() {
if (line_.empty()) return;
std::string arg;
int len = line_.length();
int i = 0;
while (i < len) {
if (std::isblank(line_[i])) {
args_.push_back(arg);
arg.clear();
} else {
arg += line_[i];
}
++i;
}
args_.push_back(arg);
}
我的代码写得比较 low , 当然还有其它方法实现，比如可以将 string 转换为 char*, 然
后配合 C 函数 strtok 将字符串分割。仁者见仁。
执行命令
shell 的内核所在，前面的都只是铺垫。
void lshell::excute__() {
const int arg_len = args_.size();
if (!arg_len) {
status_setter(status_enum::success);
return;
}
char **args = new char *[arg_len];
for (int i = 0; i < arg_len; ++i) {
args[i] = new char[args_[i].size() + 1];
strncpy(args[i], args_[i].c_str(), args_[i].size());
}
auto is_builtin = builtins_.begin();
if ((is_builtin = builtins_.find(args_[0])) != builtins_.end()) {
status_setter(is_builtin->second(args));
} else {
status_setter(__launch(args));
}
for (auto i = 0; i < arg_len; ++i) delete args[i];
}
这里主要分为两部分，一个是内置命令，令一个是系统命令程序。
- 内置命令
系统中没有实现如 cd, help, exit 等命令，所以需要我们手动实现这些命令，也即内置命
令。在本文代码中，我使用哈希表存储内置命令处理函数。
```C++
/* 内置命令：如 cd, help, exit... */
status_enum __cd(char **);
status_enum __help(char **);
inline status_enum __exit(char **) { return status_enum::exit_s; };
/* 内置命令对应的处理函数表，使用哈希表实现 */
const std::unordered_map<std::string, status_enum (*)(char **)> _builtins{
{"cd", &__cd}, {"help", &__help}, {"exit", &__exit}};
```
后续添加内置命令也方便，不用修改 execute\_\_ 中的代码。以 cd 命令为例，看看内置命
令的实现，其实是调用系统调用：
```C++
status_enum __cd(char **args) {
if (args[1] && int(args[1][0])) {
if (chdir(args[1])) {
std::cout << "The dir '" << args[1][0] << "' cannot be found! "
<< std::endl;
}
} else {
std::cout << "Expected argument to \" cd \" " << std::endl;
}
return status_enum::success;
}
```
- 系统命令
```C++
status_enum __launch(char **args) {
pid_t pid = fork();
if (pid > 0) {
pid_t wpid;
int status;
do {
wpid = waitpid(pid, &status, WUNTRACED);
} while (!WIFEXITED(status) && !WIFSIGNALED(status));
return status_enum::success;
} else if (pid == 0) {
if (execvp(args[0], args) == -1) {
std::cout << "Connot found '" << args[0] << "' command. Please check!"
<< std::endl;
exit(-1);
}
} else {
std::cout << "Fork failed " << std::endl;
return status_enum::fork_failed;
}
return status_enum::success;
}
```
这个就是一般的创建子进程，然后通过 execvp 系统调用执行环境变量里的程序，当然父进
程必须等待子进程执行完毕，将结果反馈给用户。
最后是清理
也就是清理上一次执行完的命令文本，本人的实现是将文本存储在私有变量里，避免了传参 过程产生的临时变量。虽然通过C++的一些高级语法避免这些开销，但是鄙人小菜一枚。所 以使用比较容易实现的方式，算是抛砖引玉吧，欢迎各位大佬指教。
总结
好了，到目前所有的核心代码几乎展示完毕了，这个是个小项目，主要是学习。 本人的完 整项目代码就不展示了，毕竟都是超级简单的东西。文末会给出项目的链接地址，作者是用 C写的，有兴趣可以参考他的实现。