自主实现一个shell

我实现的shell具有以下功能：

1. 支持ls,touch,wc 等外部命令

2. 支持输入输出重定向符

3. 支持管道命令

4 .支持后台作业

5. 支持cd,jobs,kill,exit等内部命令（自己还写了一个about 命令 ^ _ ^）

6. 支持对ctrl+c 和ctrl +z 信号的处理

接下来我们按照编写的步骤一一来分析：

（一）命令的解析

输入命令的解析在本程序中占到了很大的比重，虽然像这种解析普通命令的程序（正则表达式太难了。。）的解释器难度不大，但是健壮性和全面性还是需要周全考虑的。
这里采用了分段解析，先除去起始空格，制表符等，并以此和一些‘|’，‘<’为分割界限来解析命令至COMMAND结构体。直接看代码吧，注释很详细！

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1. /* 
2.  * 解析命令 
3.  * 成功返回解析到的命令个数，失败返回-1 
4.  */  
5. int parse_command(void)  
6. {  
7.     /* cat < test.txt | grep -n public > test2.txt & */  
8.     if (check("\n"))  
9.         return 0;  
10.   
11.     /* 判断是否内部命令并执行它 */  
12.     if (builtin())  
13.         return 0;  
14.   
15.   
16.     /* 1、解析第一条简单命令 */  
17.          
18.     get_command(0);  
19.     /* 2、判定是否有输入重定向符 */  
20.     if (check("<"))  
21.         getname(infile);  
22.     /* 3、判定是否有管道 */  
23.     int i;  
24.     for (i=1; i<PIPELINE; ++i)  
25.     {  
26.         if (check("|"))  
27.             get_command(i);  
28.         else  
29.             break;  
30.     }  
31.     /* 4、判定是否有输出重定向符 */  
32.     if (check(">"))  
33.     {  
34.         if (check(">"))  
35.             append = 1;  
36.         getname(outfile);  
37.     }  
38.     /* 5、判定是否后台作业 */  
39.     if (check("&"))  
40.         backgnd = 1;  
41.     /* 6、判定命令结束‘\n’*/  
42.     if (check("\n"))  
43.     {  
44.         cmd_count = i;  
45.         return cmd_count;  
46.     }  
47.     else  
48.     {  
49.         fprintf(stderr, "Command line syntax error\n");  
50.         return -1;  
51.     }  
52. }  
53.   
54. /* 
55.  * 解析简单命令至cmd[i] 
56.  * 提取cmdline中的命令参数到avline数组中， 
57.  * 并且将COMMAND结构中的args[]中的每个指针指向这些字符串 
58.  */  
59. void get_command(int i)  
60. {  
61.     /*   cat < test.txt | grep -n public > test2.txt & */  
62.   
63.     int j = 0;  
64.     int inword;  
65.     while (*lineptr != '\0')  
66.     {  
67.         /* 去除空格 */  
68.         while (*lineptr == ' ' || *lineptr == '\t')  
69.             lineptr++;  
70.   
71.         /* 将第i条命令第j个参数指向avptr */  
72.         cmd[i].args[j] = avptr;  
73.         /* 提取参数 */  
74.         while (*lineptr != '\0'  
75.             && *lineptr != ' '  
76.             && *lineptr != '\t'  
77.             && *lineptr != '>'  
78.             && *lineptr != '<'  
79.             && *lineptr != '|'  
80.             && *lineptr != '&'  
81.             && *lineptr != '\n')  
82.         {  
83.                 /* 参数提取至avptr指针所向的数组avline */  
84.                 *avptr++ = *lineptr++;  
85.                 inword = 1;  
86.         }  
87.         *avptr++ = '\0';  
88.         switch (*lineptr)  
89.         {  
90.         case ' ':  
91.         case '\t':  
92.             inword = 0;  
93.             j++;  
94.             break;  
95.         case '<':  
96.         case '>':  
97.         case '|':  
98.         case '&':  
99.         case '\n':  
100.             if (inword == 0)  
101.                 cmd[i].args[j] = NULL;  
102.             return;  
103.         default: /* for '\0' */  
104.             return;  
105.         }  
106.     }  
107. }  
108.   
109. /* 
110.  * 将lineptr中的字符串与str进行匹配 
111.  * 成功返回1，lineptr移过所匹配的字符串 
112.  * 失败返回0，lineptr保持不变 
113.  */  
114. int check(const char *str)  
115. {  
116.     char *p;  
117.     while (*lineptr == ' ' || *lineptr == '\t')  
118.         lineptr++;  
119.   
120.     p = lineptr;  
121.     while (*str != '\0' && *str == *p)  
122.     {  
123.         str++;  
124.         p++;  
125.     }  
126.   
127.     if (*str == '\0')  
128.     {  
129.         lineptr = p;    /* lineptr移过所匹配的字符串 */  
130.         return 1;  
131.     }  
132.   
133.     /* lineptr保持不变 */  
134.     return 0;  
135. }  
136.   
137. void getname(char *name)  
138. {  
139.     while (*lineptr == ' ' || *lineptr == '\t')  
140.         lineptr++;  
141.   
142.     while (*lineptr != '\0'  
143.             && *lineptr != ' '  
144.             && *lineptr != '\t'  
145.             && *lineptr != '>'  
146.             && *lineptr != '<'  
147.             && *lineptr != '|'  
148.             && *lineptr != '&'  
149.             && *lineptr != '\n')  
150.     {  
151.             *name++ = *lineptr++;  
152.     }  
153.     *name = '\0';  
154. }  

（二）命令的执行和实现

  1、程序框架：

   在对命令的解析完毕后，我们先考虑两个大的方向，即是外部命令还是内部命令？

   外部命令的话，我们只需要fork一个子进程，用execvp()来执行就可以了；对于内部命令则需要自己去实现。

   提出两个问题：第一个，为什么要使用execvp() ？第二个，为什么要fork一个子进程来实现，直接while循环不可以吗？

  解答：

 （1）我们之所以使用execvp(),是因为函数的原型是 int execvp(const char *file ,char * const argv []); 第一个参数是命令文件名，第二个是参数，执行命令非 常的方便。

（2）一旦执行execvp()，当前进程就会被execvp的进程所替代，执行完后就会结束程序，所以while循环是不可以的，必须要fork一个子进程来执行。

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1. while(1) {　　　　　　　　　　　　　　　　　 /* repeat forever */  
2. 　　type_prompt();　　　　　　　　　　　　　/* display prompt on the screen */  
3. 　　read_command(command,parameters);　　　 /* read input from terminal */  
4. 　　if(fork()!=0) {　　　　　　　　　　　　　  /* fork off child process */  
5. 　　　　/* Parent code */  
6. 　　　　waitpid(-1,&status,0);　　　　　　　  /* wait for child to exit */  
7.  　　} else {  
8. 　　　　/* Child code */  
9. 　　　　execvp(command,parameters);　　　　/* execute command */  
10. 　　}  
11.   
12. }  

利用这个框架，外部命令（可执行文件）的功能基本实现(vi ,top ,ps等均可使用)。

2、输入输出重定向

当分析出来有输入输出重定向的符号时，我们要使用dup()函数来实现。函数详解请参考我的博客

对于输入的句法分析结果，我们使用一个结构体来保存：

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1. typedef struct command  
2. {  
3.     char *args[MAXARG+1];   /* 解析出的命令参数列表 */  
4.     int infd;  
5.     int outfd;  
6. } COMMAND;  

基本流程：

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1. /* 子进程 */  
2.     if (cmd[i].infd != 0)  
3.     {  
4.         close(0);  
5.         dup(cmd[i].infd);  
6.     }  
7.     if (cmd[i].outfd != 1)  
8.     {  
9.         close(1);  
10.         dup(cmd[i].outfd);  
11.     }  
12.                   
13.            
14.     int j;  
15.     for (j=3; j<OPEN_MAX; ++j)  
16.         close(j);  

其中cmd[i].infd和cmd[i].outfd是解析出来的重定向位置的全局变量。

3、管道命令

 管道命令是使用pipe()函数实现的。关于管道的详解请参考 我的博客

假如我们有  a | b | c 这样一个形式的命令，那么是需要创建两条管道的，依次类推。

[cpp] view plain copy

1. int i;  
2. int fd;  
3. int fds[2];  
4. for (i=0; i<cmd_count; ++i)  
5. {  
6.     /* 如果不是最后一条命令，则需要创建管道 */  
7.     if (i<cmd_count-1)  
8.     {  
9.         pipe(fds);  
10.         cmd[i].outfd = fds[1];  
11.         cmd[i+1].infd = fds[0];  
12.     }  
13.                  
14.     forkexec(i);  
15.   
16.     if ((fd = cmd[i].infd) != 0)  
17.         close(fd);  
18.   
19.     if ((fd = cmd[i].outfd) != 1)  
20.         close(fd);  
21. }  
22.   
23. if (backgnd == 0)  
24. {  
25.     /* 前台作业，需要等待管道中最后一个命令退出 */  
26.     while (wait(NULL) != lastpid)  
27.         ;  
28. }  

4.后台作业和信号处理

判断后台，我们只需要解析命令看是否存在 “&”，若存在则backgnd = 1，不再对后台进程进行wait。为了避免僵尸进程，我们可是选择使用signal()处理SIGCHLD，将其忽略，同时忽略SIGINT和SIGQUIT信号（后台不响应ctrl+c,ctrl+z）。但是注意backgnd=0的时候要将这两个信号再设置成默认处理，否则前台也不能响应信号了。

5.内部命令

1、 cd命令的实现 
cd命令的实现主要依赖于系统调用chdir()。我们通过将第一个参数传入chdir就可以进行一次成功的cd调用。通过判断chdir()不同的返回值可以判断出更改目录成功与否，并能输出错误原因。

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1. void do_cd(void)  
2. {  
3.     get_command(0);  
4.     int fd;  
5.     fd=open(*(cmd[0].args),O_RDONLY);  
6.     fchdir(fd);  
7.     close(fd);  
8. }  

 

2、 jobs命令的实现 
jobs命令我们维护一个链表，每次当有一个后台进程运行的时候，都要向这个链表中添加一个数据。并当子进程结束的时候会向父进程发送SIGCHLD信号，父进程也就是Shell要处理这个信号，并且将后台进程链表中相应的进程进行处理，也就是将其移除。

[cpp] view plain copy

1. /* 父进程 */  
2.     if (backgnd == 1)  
3.        {  
4.           /*添加入jobs的链表*/  
5.               NODE *p=(NODE*)malloc(sizeof(NODE));  
6.               p->npid=pid;  
7.               printf("%s",cmd[0].args[0]);  
8.               strcpy(p->backcn,cmd[0].args[0]);  
9.               // printf("%s",p->backcn);  
10.   
11.               NODE* tmp=head->next;  
12.               head->next=p;  
13.               p->next=tmp;  
14.        }  

 3、 exit命令的实现 
exit命令分两部分实现。第一，当词法分析到exit的时候直接调用系统调用exit（）就可以了。第二，退出之前要判断一下后台进程链表中是否还有未执行完的任务，如果有未执行完的任务，要提示用户，等待用户选择。

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1. void do_exit(void)  
2. {  
3.     int Pgnum=0;  
4.     NODE* tmp=head->next;  
5.     while(tmp!=NULL)  
6.     {  
7.         Pgnum++;  
8.         tmp=tmp->next;  
9.     }  
10.     if(Pgnum!=0)  
11.     {  
12.        printf("There are programs in the background,are you sure to exit?y/N\n");  
13.        char c= getchar();  
14.        if(c=='N')  
15.            return ;  
16.        else  
17.            goto loop;  
18.     }  
19.    loop:  
20.     printf("exit\n");  
21.     exit(EXIT_SUCCESS);  
22. }  

4、 kill命令的实现 
kill命令的实现是通过信号来实现的，我们使用kill -9 +pid来强制结束后台进程，用kill系统调用向相应的进程发送SIGQUIT信号来使进程强制退出。

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1. void do_kill(void)  
2. {  
3.     get_command(0);  
4.     int num=atoi(cmd[0].args[1]);  
5.     signal(SIGQUIT,SIG_DFL);  
6.     kill(num,SIGQUIT);  
7.     signal(SIGQUIT,SIG_IGN);  
8.     NODE *bng=head->next;  
9.     NODE *pre=head;  
10.     while(bng!=NULL)  
11.     {  
12.         if(bng->npid==num)  
13.         {  
14.             NODE* nxt=bng->next;  
15.             pre->next=nxt;  
16.             break;  
17.         }  
18.         pre=bng;  
19.         bng=bng->next;  
20.     }  
21. }  

到这里，本程序的功能已经基本实现，效果还算不错。  

注：本程序的具体源码托管至Github   ，欢迎大家关注！

然而依然存在一些不足之处：

1.因为时间和测试不足的关系，肯定存在着bug

2.没能支持正则表达式等复杂的命令解析

3.不能执行shell脚本。

4.没有实现上下键查看历史命令的功能。