2024-10-11 简易模拟 shell & 内建命令

创建：父子进程的代码共享，数据写时拷贝各自私有。

退出：退出码概念；进程退出三种情况（代码跑完结果对；代码跑完结果不对，由退出码决定；代码出现异常，由退出信号决定）。

等待：为了解决僵尸问题（必要理由），获取子进程的退出信息（可选）（通过 status 位图获取退出码和退出信号，根据这两个数据指标获得子进程的运行结果）；阻塞和非阻塞的概念。

替换：原理：子进程所对应的PCB、地址空间这样的结果不变，把对应的可执行程序的代码和数据重新进行覆盖，如果进行程序替换的话，可以让该进程直接执行一个新的程序。

---

一、PrintCommandLine

用户名、主机名和当前工作路径都可以通过 getenv 获取。

string GetUserName(){
	return NULL == getenv("USER") ? "None" : getenv("USER");
}

string GetHostName(){
	return NULL == getenv("HOSTNAME") ? "None" : getenv("HOSTNAME");
}

string GetPWD(){
	return NULL == getenv("PWD") ? "None" : getenv("PWD");
}

string MakeCommandLine(){
	char command_line[basesize];
	snprintf(command_line, basesize, "[%s@%s %s]# ", GetUserName().c_str(), GetHostName().c_str(), GetPWD().c_str());
	return command_line;
}

void PrintCommandLine(){
	printf("%s", MakeCommandLine().c_str());
	fflush(stdout);
}

二、GetCommandLine

将用户在命令行输入的内容当做一个完整的字符串，包含空格，所以不建议使用 cin 和 scanf，getline 和 fgets 都可以。

提取命令行内容时最好是“纯净”的字符串，不要出现换行符等冗余内容，利用 strlen() - 1 将最后位置的元素置 0。

判断是否只输入了换行符，如是，则返回 false。

bool GetCommandLine(char commandline_buffer[], int size){
	char *ret = fgets(commandline_buffer, size, stdin);
	if(!ret){
		return false;
	}
	commandline_buffer[strlen(commandline_buffer) - 1] = 0; //如果只获取到换行符就是空字符串
	if(0 == strlen(commandline_buffer)) return false;
	return true;
}

三、ParseCommandLine

 将读取的命令行内容拆分为指针数组，结尾设置为NULL。

设置全局变量 gargv 和 gargc。

strtok 接口：

#include <string.h>

char *strtok(char *str, char *delim);

【注】1. 首次使用分割后想再次切割历史字符串需要传 nullptr；2. 如果是按照指定字符进行分割的话返回的是字符串地址，否则返回 nullptr（切到最后）。

利用 strtok 将字符串切分好传入 gargv 数组，同时 gargc 进行元素个数计数。

bool ParseCommandLine(char commandline_buffer[], int len){
	(void)len;
	memset(gargv, 0, sizeof(gargv));
	gargc = 0;
	const char *sep = " ";
	gargv[gargc++] = strtok(commandline_buffer, sep);	
	while( gargv[gargc++] = strtok(nullptr, sep) );
	gargc--;
}

测试

void debug(){
	printf("argc: %d\n", gargc);
	int i = 0;
	for(; gargv[i]; ++i){
		printf("argv[%d] = %s\n", i, gargv[i]);
	}
}

四、ExecuteCommandLine

最好不要让shell直接执行命令，如果是错误命令，shell会崩溃，所以使用子进程执行。

子进程执行命令（exec*），再退出。

bool ExecuteCommand(){
	pid_t id = fork();
	if(id < 0) return false;
	if(0 == id){
		execvp(gargv[0], gargv);	
		exit(1);
	}
	int status = 0;
	pid_t rid = waitpid(id, &status, 0);
	if(rid > 0){
		//等待成功
	}
}

五、内建命令

【问题】上述模拟实现的 shell 并不能解析 ..

每个进程都有一个当前路径的概念，当子进程执行 cd .. 时改的是子进程的路径而非 shell 的，所以 cd 这样的命令不能由子进程执行。

【结论】在命令行中，有些命令必须由子进程执行；有些命令（built command，内建命令）不能由子进程执行，必须由 shell 自己执行。

shell 自己执行命令，本质是 shell 调用自己的函数。

【问题】为何 cd 后命令行展示的当前路径没有改变呢？

可以通过系统调用 getcwd 获取路径，再维护更新环境变量。

【注】shell 的工作路径和对应的环境变量“缓冲区”最好设置成全局变量，避免设置在临时函数中。

环境变量是由 shell 自己维护的；自己模拟的 shell 是从系统继承的，当修改时有写时拷贝机制，子进程（模拟 shell）的全局环境变量表就与系统 shell 的分离了（模拟 shell 的环境变量表还是半成品）。

如果模拟 shell 实现并维护了自己完整的环境变量表后，export 和 echo 命令就不需要创建子进程来执行，而是内建命令（export 如果是子进程执行，就不能修改父进程 shell 的环境变量表）。

六、InitEnv

从父进程 shell 直接读取：

void InitEnv(){
	extern char **environ;
	int i = 0;
	while(environ[i]){
		genv[i] = (char*)malloc(strlen(environ[i] + 1);
	strncpy(genv[i], environ[i], strlen(environ[i]));
	i++;
	}
	genv[i] = nullptr;
}

模拟 shell 中使用自建命令如何继承模拟 shell 的环境变量表呢？在 ExecuteCommand() 中使用 execvpe 即可。

bool ExecuteCommand(){
	pid_t id = fork();
	if(id < 0) return false;
	if(0 == id){
		execvpe(gargv[0], gargv, genv);	
		exit(1);
	}
	int status = 0;
	pid_t rid = waitpid(id, &status, 0);
	if(rid > 0){
		//等待成功
	}
}

void addenv(const char *e){
	int i = 0;
	while(genv[i]){
		i++;
	}
	genv[i] = (char*)malloc(strlen(e) + 1);
	strncpy(genv[i], e, strlen(e) + 1);
	genv[++i] = nullptr;
}

bool CEBuiltCommand(){
	if(strcmp(gargv[0], "cd") == 0){
		if(gargc == 2){
			chdir(gargv[1]);
		}
		return true;
	}
	else if(strcmp(gargv[0], "export") == 0){
		if(gargc == 2){
			addenv(gargv[1]);
		}
		return true;
	}
	else if(strcmp(gargv[0], "env") == 0){
		for(int i = 0; genv[i]; i++){
			printf("%s\n", genv[i]);
		}
		return true;
	}
	return false;
}

【Q】echo 命令为何是内建命令呢？

【A】本地变量表无法通过 execv 这样的接口调取，所以子进程不能看到。

【Q】echo 是如何查看的呢？

【A】让 shell 去遍历它自己维护的本地变量表。