何为shell？

shell作为命令语言解释器，负责解释我们在Linux命令行中输入的指令，并将解释后的指令传递给Linux内核。简而言之，shell是用户和Linux内核之间交互的桥梁，用户不直接接触Linux内核，而是通过shell程序与内核交互。

shell的本质是一个C语言程序，与我们平常使用的QQ，浏览器一样，区别就是：一旦Linux系统运行起来，shell程序也会运行，而QQ，浏览器这些程序需要我们手动去运行，shell则自动运行

只要用户输入一个指令，就会被shell解释。指令分为两种

1.内建命令，由shell自身执行，如打印当前工作目录（pwd），输出文本消息（echo）

2.其他命令，是一个存储在某个目录下的程序，由shell的子进程执行，如列出目录内容（ls），拷贝文件（cp）

对于用户来说，不用关心该命令是否为内建命令，只要输入命令，就会得到结果。但对于shell来说，需要检查该命令是否为内建命令，如果是，需要自己执行该命令。如果不是，shell会去PATH路径列表下查找是否有该程序，如果有，解释该指令并创建子进程执行该指令，没有的话直接报错。

为了更深刻的理解shell的运行过程，我们模拟实现一个自己的shell程序

shell的模拟实现

提示符打印

shell被启动后，就会在命令行中等待命令的输入，在输入命令的地方前还有一串提示符

[用户名@主机名 当前所在文件夹] $

实现shell的第一步是打印出这串提示符，用户名，主机名和当前路径都能通过getenv获取环境变量函数得到。需要特别处理的是当前目录，getenv得到的是绝对路径，而提示符显示的是当前文件夹，所以得到绝对路径后要遍历这串字符串，记录最后一个’/'出现的位置，返回该位置的后一个位置，得到的就是当前文件夹

const char* get_dir(const char* path)
{int i = 0;int index = 0;while (path[i] != '\0'){if (path[i] == '/'){index = i;}i++;}return path + index + 1; 
}// 1.显示提示符printf("[%s@%s %s^]$ ", getenv("USER"), getenv("HOSTNAME"), get_dir(getenv("PWD")));fflush(stdout);  // 由于缓冲区的存在，不打印'\n'缓冲区是不会立即刷新的，直到缓冲区满了才会刷新出内容// 所以这里打印需要手动刷新缓冲区

用户输入消息的获取

比如我要执行ls命令，ls命令后还可以携带选项，ls -a -l，shell需要获取指令与选项，并将它们分割（shell接收到的是一串字符串"ls -a -l"，shell需要将字符串分割为更小的字符串"ls" “-a” “-l”）。

定义command_line接收一整行的指令，该数组中的元素保存的是字符，command_args保存分割后的指令，该数组中的元素要保存的是分割后的字符串。

#define NUM 1024
#define SIZE 128char command_line[NUM];
char* command_args[SIZE];

在存储数据之前先使用memset函数将两个数组置空。

memset(command_line, '\0', sizeof(command_line) * sizeof(char));
memset(command_args, '\0', sizeof(command_args) * sizeof(char));

获取整行数据可以使用fgets


fgets将从stream流中获取至多size个字符的字符串并保存到s中，如果遇到了’\0’或者读到了文件结束，fgets将中断。

所以我们可以用fgets从stdin标准输入流中读取NUM个字符到command_line数组中，这样就获取到了命令行的输入

fgets(command_line, NUM, stdin);

但获取到的字符串的’\0’之前还有一个’\n’（因为我们在命令的最后敲了回车，来表示命令输入的结束，这个’\n’会影响命令的识别，需要将其消除：：用strlen得到字符串长度（不包括’\0’），字符串最后一个字符’\n’，的下标为长度-1，将该位置置为’\0’，表示字符串的结束，同时也消除了’\n’

command_line[strlen(command_line) - 1] = '\0'; // 消除'\n'

获取到整行字符串后，使用strtok将整行字符串分割成命令与选项

strtok使用：第一次调用strtok需要传入要被分割的字符串，之后如果要继续分割，就不用继续传该字符串的地址，只要传NULL，第二个参数是分割字符串的标志，对于分割整行命令，其分割的标志为" "。

当没有字符串要分割时，strtok就返回NULL，否则返回分割的第一个字符串，根据这个特点，可以先对command_line进行第一次分割并保存到command_args中，接着使用while循环分割完所有的子串。

// 获取命令并解析
#define SEP " "
#define NUM 1024
#define SIZE 128char command_line[NUM];
char* command_args[SIZE];
memset(command_line, '\0', sizeof(command_line) * sizeof(char));
memset(command_args, '\0', sizeof(command_args) * sizeof(char));
fgets(command_line, NUM, stdin);
command_line[strlen(command_line) - 1] = '\0'; // 消除'\n'
command_args[0] = strtok(command_line, SEP); 
int index = 1;
// 当还有字符串要分割时，strtok返回值不为空
// 分割结束，strtok返回空，while循环的条件为假，循环结束
while (command_args[index++] = strtok(NULL, SEP)); 

创建子进程执行程序

分析完指令后，shell会调用fork()函数创建一个子进程，让子进程调用exec()程序替换函数，替换子进程，让子进程执行成分析后的指令，同时父进程阻塞等待子进程并打印退出消息。

int id = fork();
if (id == 0)
{// childexecvp(command_args[0], command_args);exit(-1); // 如果程序替换失败，子进程会执行该语句，返回-1
}
else
{int status = 0;int ret = waitpid(id, &status, 0);if (ret == id) // 等待成功{// 父进程接收子进程的退出码，并打印printf("等待成功, code:%d, sig:%d\n", (status >> 8) & 0xFF, status & 0x7F);}
}

运行结果

myshell是编译myshell.c生成的可执行程序，运行shell，为了与Linux自己的shell区分，我写的shell打印出的提示符有个^，上面是打印提示符的效果。

执行ls -a命令的结果

但是目前实现的shell有一个问题：执行pwd命令，打印当前的工作目录，然后cd …回到上一级目录，再执行pwd，通过打印的目录我们发现：没有回到上一级目录，要知道其中的原因就需要了解内建命令。

内建命令

开头说到，shell的命令分为内部命令和其他命令，何为内建命令？ 内建命令是一个需要shell自己执行的命令，即shell不创建子进程，自己亲自执行的命令。

为什么要有内建命令？ shell创建子进程执行指令，当子进程执行完命令，子进程就退出了。 有这样一个场景：当子进程执行的指令是cd更改工作路径时，子进程执行cd命令，其工作路径确实发生了改变，但是父进程的工作路径没有变化（进程具有独立性，两个进程不会相互影响），接着子进程退出，此时向shell输入pwd命令，打印当前工作目录，shell又创建子进程执行pwd命令，这个子进程与之前退出的子进程没有关系，是重新创建的，由于父子进程代码共享，它们的工作路径相同，所以打印出的工作路径没有变化。体现给用户的感觉就是cd没有被执行，与上面截图中的问题相同。

所以，shell对于一些命令是必须要亲自执行的：比如cd更改工作路径，将shell的工作路径修改后，由于子进程的工作路径与父进程相同，更改分进程的工作路径后，父进程创建出的子进程的工作路径也是被修改过的，体现给用户的感觉就是当前的工作路径改变了。

对于内建命令，shell是怎么实现的？ shell中有许多内建命令，当shell接收到指令并解析后，需要判断用户输入的命令是否为内建命令，如果是就执行拦截操作，使子进程不再被创建，自己执行该指令。如果不是内建命令，则创建子进程执行该命令。

接着谈模拟实现：

Linux提供了一个系统接口，可以改变当前工作路径，chdir，将当前进程的工作路径修改为path。

// 对该系统接口封装
void change_dir(const char* new_path)
{chdir(new_path);
}// 获取命令并解析
#define SEP " "
#define NUM 1024
#define SIZE 128char command_line[NUM];
char* command_args[SIZE];
memset(command_line, '\0', sizeof(command_line) * sizeof(char));
memset(command_args, '\0', sizeof(command_args) * sizeof(char));
fgets(command_line, NUM, stdin);
command_line[strlen(command_line) - 1] = '\0'; // 消除'\n'
command_args[0] = strtok(command_line, SEP); 
int index = 1;
// 当还有字符串要分割时，strtok返回值不为空
// 分割结束，strtok返回空，while循环的条件为假，循环结束
while (command_args[index++] = strtok(NULL, SEP)); // 解析完命令后，判断是否有内建命令需要拦截
if (strcmp(command_args[0], "cd") == 0 && command_args[1] != NULL) // 要确保第二个参数不为空
{change_dir(command_args[1]); // 第二个参数是要进入的工作路径continue; 					 // shell被死循环执行，continue跳过后面创建子进程的代码 
}

shell对于内建命令的拦截，是在解析指令后，判断命令是否为内建，如果是，跳转执行对应的函数，并跳过之后创建子进程的过程。

添加内建命令的拦截后再执行cd指令。

环境变量与内建命令

我们知道，环境变量具有全局属性，具体表现是：一般情况下，子进程的环境变量继承父进程的环境变量，父进程的环境变量改变后，创建的子进程的环境变量也会跟着改变，但不会影响父进程的父进程，也就是说：全局属性体现为向下影响

环境变量的创建或修改需要使用export指令，格式为：export xxx=value，比如创建一个环境变量myval，它的值为123：export myval=123。基于对内建命令的理解，如果让shell创建子进程执行export创建myval这个环境变量，那么shell的子进程就具有了myval，当子进程执行完export指令，子进程退出，由于子进程的环境变量不会向上影响，所以shell的环境变量没有改变，环境变量改变的是已经退出的子进程，体现给用户的感觉是：环境变量没有被创建。我们创建环境变量的目的是希望在shell中创建环境变量，使得shell以下的子进程都具有该变量，所以export也是一个内建命令，需要特别的处理。

接着来说模拟实现：


Linux提供了修改环境变量的接口，将要修改或创建的环境变量以xxx=value的字符串方式传入该接口，xxx环境变量就会被创建或者修改。

所以在shell解析完指令后，判断指令是否为export，如果是则进行拦截，调用该接口创建环境变量。

（系统中有一个环境变量列表envrion，类型为char**，存储了当前进程的环境变量字符串char*，当你使用putenv添加环境变量时，实质上是向envrion的列表中添加了一个字符串的地址

需要注意的是添加环境变量时，环境变量列表不会environ 不会拷贝字符串，所以原字符串的修改会影响添加到环境变量列表中的环境变量）

if (strcmp(command_args[0], "export") == 0 && command_args[1] != NULL)
{// command_args[1]是xxx=value形式的字符串add_env(command_args[1]); // 是否有问题？continue;
}

由于模拟实现的shell使用command_line获取整行的输入，接着将每个命令与选项的首地址放到数组command_args中，myshell每次读取命令时，都会对command_line进行清空，也就意味着command_args[1]所指向的字符串也会被清空，在myshell添加完环境变量后，command_args[1]被添加到environ中，再次接收其他指令，command_args[1]被清空，环境变量也就不存在，所以向environ传递的字符串必须要是一个不会被随意更改的字符串。

#define NUM 1024
char env_buffer[NUM]; 
// 更规范的做法是动态申请堆上的空间，这里的全局变量只是用来测试，只能添加一个环境变量
void add_env(char* new_env)
{putenv(new_env);
}
if (strcmp(command_args[0], "export") == 0 && command_args[1] != NULL)
{// 先拷贝字符串到env_buffer中，再将env_buffer添加到环境变量列表中strcpy(env_buffer, command_args[1]);add_env(env_buffer);continue;
}

添加完export内建命令的运行结果。我在当前目录下写了个C++程序mycmd，运行mycmd将打印环境变量"lll"所对应的值，然后运行myshell程序，运行mycmd，没有打印信息，说明进程中没有lll环境变量，然后使用export命令创建环境变量lll并赋值123，最后运行mycmd程序，打印出lll变量的值——123，说明环境变量创建成功，export内建命令完成工作。

提示符最后的优化

模拟实现内建命令cd后，可以使用cd进入一个工作目录，但是命令行的提示符却没有发生改变

有了对环境变量的理解，模拟的shell可以完成最后的一次优化：使提示符打印出的当前工作目录与cd命令同步。

提示符打印的当前工作目录是根据环境变量PWD获取的，而我们模拟实现的cd命令只是将当前工作路径修改（chdir函数不会改变PWD环境变量），所以模拟实现的cd命令还应该改变PWD环境变量，使打印的提示也随着cd改变。

还需要根据chdir的返回值判断要进入的工作目录是否存在，当工作目录不存在时，不能修改PWD环境变量，应该要提示用户输入的路径错误。只有输入的工作目录存在，shell才会跳转到该目录下，并且修改PWD环境变量。

char path_buf[NUM];void change_dir(const char* new_path)
{ strcpy(path_buf, "PWD=" );if (chdir(new_path) == -1){printf("cd: %s: No such file or directory\n", new_path);}else // 当更改目录成功，修改环境变量中的PWD变量{// 进入到新的工作路径下，获取当前工作路径，并连接到path_buf后，作为PWD的value值strcat(path_buf, get_current_dir_name()); putenv(path_buf);}
}

优化后的shell运行结果

模拟实现的shell完整代码

当然，到目前为止，myshell与真正的shell之间还是有差距的，还有优化的空间，比如ls对应当前目录下的文件，myshell的打印没有颜色，shell有颜色，这需要在ls后加上–color=auto
实际上我们经常使用的ls，是ls --color=auto的别名（alias是一个取别名操作），在模拟实现的shell中，解析完命令后判断命令是否有ls，如果有，再在解析的参数后加上–color=auto。

但是这些不是模拟实现shell的最终目的，模拟实现shell的最终目的是

理解shell的工作原理，shell的本质：一个C语言程序，shell对于两种命令的处理方式以及shell是怎么创建子进程执行指令的（fork+exec）。

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/wait.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>
#include <sys/types.h>#define NUM 1024
#define SIZE 128
#define SEP " "char command_line[NUM];
char* command_args[SIZE];
char env_buffer[NUM];
char path_buf[NUM];void change_dir(const char* new_path)
{ strcpy(path_buf, "PWD=" );if (chdir(new_path) == -1){printf("cd: %s: No such file or directory\n", new_path);}else // 当更改目录成功，修改环境变量中的PWD变量{strcat(path_buf, get_current_dir_name());putenv(path_buf);}
}void add_env(char* new_env)
{putenv(new_env);
}const char* get_dir(const char* path)
{int i = 0;int index = 0;while (path[i] != '\0'){if (path[i] == '/'){index = i;}i++;}return path + index + 1; 
}int main()
{while (1){// 1.显示提示符printf("[%s@%s %s^]$ ", getenv("USER"), getenv("HOSTNAME"), get_dir(getenv("PWD")));fflush(stdout);// 2.获取用户输入memset(command_line, '\0', sizeof(command_line) * sizeof(char));memset(command_args, '\0', sizeof(command_args) * sizeof(char));fgets(command_line, sizeof(command_line) * sizeof(char), stdin);if (strlen(command_line) > 1){command_line[strlen(command_line) - 1] = '\0'; // 消除'\n'command_args[0] = strtok(command_line, SEP); int index = 1;if (strcmp(command_args[0], "ls") == 0)command_args[index++] = "--color=auto";while (command_args[index++] = strtok(NULL, SEP));if (strcmp(command_args[0], "cd") == 0 && command_args[1] != NULL){change_dir(command_args[1]);continue; }if (strcmp(command_args[0], "export") == 0 && command_args[1] != NULL){strcpy(env_buffer, command_args[1]);add_env(env_buffer);continue;}//  创建子进程执行其他命令int id = fork();if (id == 0){// childexecvp(command_args[0], command_args);exit(-1);}else{int status = 0;int ret = waitpid(id, &status, 0);if (ret == id) // 等待成功{printf("等待成功, code:%d, sig:%d\n", (status >> 8) & 0xFF, status & 0x7F);}}	} // end of -- if (strlen(command_line) > 1)}  // end of -- while(1)return 0;
}