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Linux模拟实现【简易版bash】

xiaoxingxing • • IT • 阅读 62

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  • Good judgment comes from experience, and a lot of that comes from bad judgment.
    • 好的判断力来自经验，其中很多来自糟糕的判断力。

上帝的指纹

文章目录

  • 🌇前言
  • 🏙️正文
    • 1、bash本质
    • 2、需求分析
    • 3、基本框架
    • 4、核心内容
      • 4.1、指令读取
      • 4.2、指令分割
      • 4.3、程序替换
      • 4.4、实机演示
    • 5、特殊情况处理
      • 5.1、ls 显示高亮
      • 5.2、内建命令
      • 5.3、cd
      • 5.4、export
      • 5.5、echo
      • 5.6、重定向
    • 6、源码
  • 🌆总结

🌇前言

Linux 系统主要分为 内核(kernel) 和 外壳(shell)，普通用户是无法接触到内核的，因此实际在进行操作时是在和外壳程序打交道，在 shell 外壳之上存在 命令行解释器(bash)，负责接收并执行用户输入的指令，本文模拟实现的就是一个 简易版命令行解释器

结构

🏙️正文

1、bash本质

在模拟实现前，先得了解 bash 的本质

bash 也是一个进程，并且是不断运行中的进程
证明：常显示的命令输入提示符就是 bash 不断打印输出的结果

提示信息

输入指令后，bash 会创建子进程，并进行程序替换
证明：运行自己写的程序后，可以看到当前进程的 父进程 为 bash

父进程
此时可以断定神秘的 bash 就是一个运行中的进程，因为进程间具有独立性，因此可以同时存在多个 bash，这也是多用户登录 Linux 可以同时使用 bash 的重要原因

系统自带的 bash 是一个庞然大物，我们只需根据其本质，实现一个简易版 bash 就行了

大小
图片源自知乎《Linux内核有多少行源代码？》

2、需求分析

bash 需要帮我们完成命令解释+程序替换的任务，因此它至少要具备以下功能：

  • 接收指令（字符串）
  • 对指令进行分割，构成有效信息
  • 创建子进程，执行进程替换
  • 子进程运行结束后，父进程回收僵尸进程
  • 输入特殊指令时的处理

进程相关知识都已经在前面介绍过了，本文着重介绍的是其他步骤及细节

3、基本框架

抛开指令接收、切割、替换时的细节，简易版 bash 代码基本框架如下：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/wait.h>
#include <sys/types.h>
#include <string.h>
#include <assert.h>

//指令分割函数
void split(char* argv[ARGV_SIZE], char* ps)
{}

int main()
{
  //这是一个始终运行的程序：bash
  while(1)
  {
    //打印提示符
    printf("[User@myBash default]$ ");	//可以自定义，跟着标准走
    fflush(stdout);	//手动清空缓冲区
    
    //读取指令

    //指令分割
  
    //子进程进行程序替换
    pid_t id = fork();
    if(id == 0)
    {
      //直接执行程序替换，这里使用 execvp
      execvp();	//具体细节先忽略

      exit(168); //替换失败后返回，这个值可以自定义 [0, 255]
    }
  
    //父进程等待子进程终止，回收僵尸进程
    int status = 0;
    waitpid(id, &status, 0);  //在等待队列中阻塞
    if(WIFEXITED(status))
    {
      //假如程序替换失败
      //关于打印的错误信息：也可以自定义，格式跟着标准走
      if(WEXITSTATUS(status) == 168)
        printf("%s: Error - %s\n", argv[0], "The directive is not yet defined");
    }
    else	//如果子进程被异常终止，打印相关信息
      printf("process run fail! [code_dump]:%d [exit_signal]:%d\n", (status >> 7) & 1, status & 0x7F);  //子进程异常终止的情况
  }

  return 0;
}

这只是简易版 bash 的基本框架，其他细节将会在后续补充完整

4、核心内容

核心内容主要为 读取、切割、替换 这三部分，逐一实现，首先从指令读取开始
大纲

4.1、指令读取

读取指令前，首先要清楚待读取命令可能有多长

  • 常见命令如 ls -a -l 长度不超过 10
  • 为了避免极端情况，这里预设命令最大长度为 1024
  • 使用数组进行指令存储（缓冲区）
#define COM_SIZE 1024

char command[COM_SIZE];	//缓冲区

得到缓冲区后，就得考虑什么是指令？如何读取指令？

  • Linux 中的大部分指令由 指令 [选项] 构成，在 指令 和 [选择] 间有空格
  • 常规的 scanf 无法正常读取指令，因为空格会触发输入缓冲区刷新
  • 这里主要使用 fgets 逐行读取，可以读取到空格
//读取指令
//因为有空格，所以需要逐行读取
fgets(command, COM_SIZE, stdin);
assert(command);  //不能输入空指令
(void)command; //防止在 Release 版本中出错

command[strlen(command) - 1] = '\0';  //将最后一个字符 \n 变成 \0

注意： 可能存在读取失败的情况，assert 断言解决；因为 fgets 也会把最后的 '\n' 读进去，为了避免出错，手动置为 '\0'

4.2、指令分割

获得指令后，就需要将指令进行分割

就像伐木后需要再次分割利用一样，指令也需要经过分割才能利用~
伐木分割

为何要分割指令？

  • 程序替换时，需要使用 argv 表，这张表由 指令、选项、NULL 构成
  • 利用指令间的空格进行分割

如何分割指令？

  • C语言 提供了字符串分割函数 strtok，可以直接使用
  • 当然也可以手动实现分割

指令分割后呢？

  • 将分割好的指令段，依次存入 argv 表中，供后续程序替换使用
  • argv 表实际为一个指针数组，可以存储字符串

如 command 一样，表 argv 也需要考虑大小，这里设置为 64，实际使用时也就分割为四五个指令段

#define ARGV_SIZE 64

 //指令分割
 //将连续的指令分割为 argv 表
 char* argv[ARGV_SIZE];	//指针数组
 split(argv, command);

利用 strtok 实现指令分割函数 split()

#define DEF_CHAR " "	//预设分割项，需为字符串

void split(char* argv[ARGV_SIZE], char* ps)
{
  assert(argv && ps);

  //调用 C语言 中的 strtok 函数分割字符串
  int pos = 0;
  argv[pos++] = strtok(ps, DEF_CHAR);  //有空格就分割
  while(argv[pos++] = strtok(NULL, DEF_CHAR));  //不断分割

  argv[pos] = NULL; //确保安全
}

注意： 指令分割结束后，需要在添加 argv 表结尾 NULL

4.3、程序替换

获得实际可用的 argv 表后，就可以开始子进程程序替换操作了

这里使用的是函数 execvp，理由：

  • v 表示 vector，正好和我们的 argv 表对应
  • p 为 path，可以根据 argv[0]（指令），在 PATH 中寻找该程序并替换

当然也可以使用 execve 系统级替换函数

//子进程进行程序替换
pid_t id = fork();
if(id == 0)
{
  //直接执行程序替换，这里使用 execvp
  execvp(argv[0], argv);

  exit(168); //替换失败后返回
}

注意： 程序替换成功后，exit(168) 语句不会执行

4.4、实机演示

将 基本框架 + 核心内容 合并编译后，得到了这样一个程序：

动图Gif

动图展示
可以看到，bash 的基本雏形已经形成，不过还存在一些不足，比如 ls 命令显示文件无高亮、cd命令无法切换、环境变量无法添加至子进程等，这些问题都可以通过特殊处理避免

5、特殊情况处理

对特殊情况进行处理，使 myBash 更加完善

5.1、ls 显示高亮

系统中的 bash 在面对 ls 等文件显示指令时，不仅会显示内容，还会将特殊文件做颜色高亮处理，比如在我的环境下，可执行文件显示为绿色

实现原理

  • 在指令结尾加上 --color=auto 语句，即可实现高亮

实现原理
处理这个问题很简单，在指令分割结束后，判断是否为 ls，如果是，就在 argv 表后尾插入语句 --color=auto 即可

//特殊处理
//颜色高亮处理，识别是否为 ls 指令
if(strcmp(argv[0], "ls") == 0)
{
  int pos = 0;
  while(argv[pos++]); //找到尾
  argv[pos - 1] = (char*)"--color=auto"; //添加此字段
  argv[pos] = NULL; //结新尾
}

结果
注意：

  • 因为 argv 表中的元素类型为 char*，所以在尾插语句时，需要进行类型转换
  • 尾插语句后，需要再次添加结尾，确保安全

5.2、内建命令

内建命令是比较特殊的命令，不同于普通命令直接进行程序替换，内建命令需要进行特殊处理，比如 cd 命令调用系统级接口 chdir 让 父进程(myBash) 进行目录间的移动

内建命令
资料来源：互联网

5.3、cd

首先实现不同目录间的切换

切换的本质：令当前 bash 移动至另一个目录下，不能直接使用 子进程 ，因为需要移动的是 父进程(bash)

对于当前的 myBash 来说，cd 没有丝毫效果，因为此时 指令会被拆分后交给子进程处理，这个方向本身就是错误的

错误结果
特殊情况特殊处理，同 ls 高亮一样，对指令进行识别，如果识别到 cd 命令，就直接调用 chdir 函数令当前进程 myBash 移动至指定目录即可（不必再创建子进程进行替换）

//目录间移动处理
if(strcmp(argv[0], "cd") == 0)
{
  //直接调用接口，然后 continue 不再执行后续代码
  if(strcmp(argv[1], "~") == 0)
    chdir("/home");  //回到家目录
  else if(strcmp(argv[1], "-") == 0)
    chdir(getenv("OLDPWD"));
  else if(argv[1])
    chdir(argv[1]);  //argv[1] 中就是路径
  continue;  //终止此次循环
}

正确结果

注意： 如果路径为空，不进行操作；如果路径为 ~，回到家目录；cd - 指令依赖于 OLDPWD 这个环境变量，直接拿来用即可

5.4、export

export 添加环境变量，添加的是父进程 myBash 的环境变量，而非子进程，需要特殊处理

解决方法：

  • 先将待添加的环境变量拷贝至缓冲区
  • 再从缓冲区中读取，并调用 putenv 函数添加至环境变量表

为何不能直接通过 putenv 添加至环境变量表中？

  • argv[1] 中的内容是不断变化的，不能直接使用
  • 一般用户自定义的环境变量，在 bash 中需要用户自己维护
  • 最好的方案就是使用缓冲区进行环境变量的拷贝放置，因为缓冲区中的内容不易变

错误体现：直接使用 putenv(argv[1])，导致第一次添加可能成功，但第二次添加后，第一次的环境变量会被覆盖

正确解法是借助缓冲区 myEnv

#define COM_SIZE 1024
#define ARGV_SIZE 64

char myEnv[ARGV_SIZE][COM_SIZE];	//二维数组
int env_pos = 0;	//专门维护此缓冲区

注意： 此缓冲区定义在循环之外

char myEnv[COM_SIZE][ARGV_SIZE];  //大小与前面有关
int env_pos = 0;  //专门维护缓冲区
//这是一个始终运行的程序：bash
while(1)
{
	//…… 省略部分代码
	
  //环境变量相关
  if(strcmp(argv[0], "export") == 0)
  {
    if(argv[1])
    {
      strcpy(myEnv[env_pos], argv[1]);
      putenv(myEnv[env_pos++]);
    }
    continue; //一样需要提前结束循环
   }
}

环境变量
除了 export 需要特殊处理外，env 查看环境变量表也需要特殊处理，因为此时的 env 查看的是 父进程(myBash) 的环境变量表，因此不需要将指令交给 子进程 处理

//注意：此函数实现于主函数外
void showEnv()
{
  extern char** environ;  //使用当前进行的环境变量表
  int pos = 0;
  for(; environ[pos]; printf("%s\n", environ[pos++]));
}

//环境变量表
if(strcmp(argv[0], "env") == 0)
{
  showEnv();  //调用函数，打印父进程的环境变量表
  continue; //提前结束本次循环
}

完善后，env 指令显示的才是正确进程的环境变量表

5.5、echo

echo 命令也属于内建命令，其能实现很多功能，比如：查看环境变量、查看最近一个进程的退出码、输出重定向等，其中前两个实现比较简单，最后一个需要 基础IO 相关知识，后续更新补上

查看环境变量

echo 指令查看环境变量时，指令长这样 echo $环境变量，可以先判断 argv[1][0] 是否为 $，如果是，就直接根据 argv[1][1] 获取环境变量信息并打印即可

代码实现如下

//echo 相关
//只有 echo $ 才做特殊处理（环境变量+退出码）
if(strcmp(argv[0], "echo") == 0 && argv[1][0] == '$')
{
  if(argv[1] && argv[1][0] == '$')
      printf("%s\n", getenv(argv[1] + 1));

  continue;
}

结果

echo 还能查看退出码：echo $?，对上述程序进行改造即可实现

退出码从何而来？

  • 很简单，父进程在等待子进程结束后，可以轻而易举的获取其退出码
  • 将退出码保存在一个全局变量中，供 echo $? 指令使用即可
int exit_code = 0;  //保存退出码的全局变量

代码实现：

//echo 相关
//只有 echo $ 才做特殊处理（环境变量+退出码）
if(strcmp(argv[0], "echo") == 0 && argv[1][0] == '$')
{
  if(argv[1] && argv[1][0] == '$')
  {
    if(argv[1][1] == '?')
      printf("%d\n", exit_code);
    else
      printf("%s\n", getenv(argv[1] + 1));
  }

  continue;
}

结果
关于 echo 重定向的内容，后面有空再更新

5.6、重定向

2023.3.28 更新，新增重定向内容，修复部分问题

重定向的本质：关闭默认输出/输入流，打开新的文件流，从其中写入/读取数据

重定向的三种情况：

  • echo 字符串 > 文件 向文件中写入数据，写入前会先清空内容
  • echo 字符串 >> 文件 向文件中追加数据，追加前不会先清空内容
  • 可执行程序 < 文件 从文件中读取数据给可执行程序

所以实现重定向的关键在于判断指令中是否含有 >、>>、< 这三个字符，如果有，就具体问题具体分析，完成重定向

具体实现步骤：

  • 判断字符串中是否含有目标字符，如果有，就置当前位置为 '\0‘，其后半部分不参与指令分割
  • 后半部分就是文件名，在打开文件时需要使用
  • 根据不同的字符，设置不同的标记位，用于判断打开文件的方式（只写、追加、只读）
  • 判断是否需要进行重定向，如果需要，在子进程创建后，打开目标文件，并调用 dup2 函数进行标准流的替换

关于系统级文件打开函数 open 的更多信息这篇文章中有介绍 《Linux基础IO【文件理解与操作】》

open 函数的打开选项

O_RDONLY	//只读
O_WRONLY | O_CREAT | O_TRUNC	//只写
O_WRONLY | O_CREAT | O_APPEND	//追加

标准流交换函数 dup2

//给参数1传打开文件后的文件描述符，给参数2传递待关闭的标准流
//读取：关闭0号流
//写入、追加：关闭1号流
int dup2(int oldfd, int newfd);

下面是具体代码实现

//在读取指令后，就进行判断：是否需要重定向
//重定向
//在获取指令后进行判断
//如果成立，则获取目标文件名 filename
char *filename = checkDir(command);

//枚举类型，用于判断不同的文件打开方式
enum redir
{
  REDIR_INPUT = 0,	//读取
  REDIR_OUTPUT,	//写入
  REDIR_APPEND,	//追加
  REDIR_NONE	//空
}redir_type = REDIR_NONE; //创建对象 redir_type，默认为 NONE

//检查是否出现重定向符
char* checkDir(char* command)
{
  //从右往左遍历，遇到 > >> < 就置为 '\0'
  size_t end = strlen(command); //与返回值相匹配
  char* ps = command + end; //为了避免出现无符号-1，这里采取错位的方法
  while(end != 0)
  {
    if(command[end - 1] == '>')
    {
      if(command[end - 2] == '>')
      {
        command[end - 2] = '\0';
        redir_type = REDIR_APPEND;
        return ps;
      }
      
      command[end - 1] = '\0';
      redir_type = REDIR_OUTPUT;
      return ps;
    }
    else if(command[end - 1] == '<')
    {
      command[end - 1] = '\0';
      redir_type = REDIR_INPUT;
      return ps;
    }

    //如果不是空格，就可以更新 ps指向
    if(*(command + end - 1) != ' ')
      ps = command + end - 1;
    
    end--;
  }

  return NULL;  //如果没有重定向符，就返回空
}

//子进程进行程序替换
pid_t id = fork();
if(id == 0)
{
  //判断是否需要进行重定向
  if(redir_type == REDIR_INPUT)
  {
    int fd = open(filename, O_RDONLY);
    dup2(fd, 0);  //更改输入，读取文件 filename
  }
  else if(redir_type == REDIR_OUTPUT)
  {
    int fd = open(filename, O_WRONLY | O_CREAT | O_TRUNC, 0666);
    dup2(fd, 1);  //写入
  }
  else if(redir_type == REDIR_APPEND)
  {
    int fd = open(filename, O_WRONLY | O_CREAT | O_APPEND, 0666);
    dup2(fd, 1);  //追加
  }

  //直接执行程序替换，这里使用 execvp
  execvp(argv[0], argv);

  exit(168); //替换失败后返回
}

具体效果(A.txt 为空，B.txt 已存在内容，程序 a.out 可以读取字符串并输出)：

结果
注意： 当前实现的重定向只是最简单的标准流替换，实际重定向更加复杂

6、源码

本次实现的 myBash 如下所示，拷贝编译运行后，即可使用

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/wait.h>
#include <sys/types.h>
#include <string.h>
#include <assert.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>

#define COM_SIZE 1024
#define ARGV_SIZE 64
#define DEF_CHAR " "

void split(char* argv[ARGV_SIZE], char* ps)
{
  assert(argv && ps);

  //调用 C语言 中的 strtok 函数分割字符串
  int pos = 0;
  argv[pos++] = strtok(ps, DEF_CHAR);  //有空格就分割
  while(argv[pos++] = strtok(NULL, DEF_CHAR));  //不断分割

  argv[pos] = NULL; //确保安全
}

void showEnv()
{
  extern char** environ;  //使用当前进行的环境变量表
  int pos = 0;
  for(; environ[pos]; printf("%s\n", environ[pos++]));
}

//枚举类型，用于判断不同的文件打开方式
enum redir
{
  REDIR_INPUT = 0,
  REDIR_OUTPUT,
  REDIR_APPEND,
  REDIR_NONE
}redir_type = REDIR_NONE; //创建对象 redir_type，默认为 NONE

//检查是否出现重定向符
char* checkDir(char* command)
{
  //从右往左遍历，遇到 > >> < 就置为 '\0'
  size_t end = strlen(command); //与返回值相匹配
  char* ps = command + end; //为了避免出现无符号-1，这里采取错位的方法
  while(end != 0)
  {
    if(command[end - 1] == '>')
    {
      if(command[end - 2] == '>')
      {
        command[end - 2] = '\0';
        redir_type = REDIR_APPEND;
        return ps;
      }
      
      command[end - 1] = '\0';
      redir_type = REDIR_OUTPUT;
      return ps;
    }
    else if(command[end - 1] == '<')
    {
      command[end - 1] = '\0';
      redir_type = REDIR_INPUT;
      return ps;
    }

    //如果不是空格，就可以更新 ps指向
    if(*(command + end - 1) != ' ')
      ps = command + end - 1;
    
    end--;
  }

  return NULL;  //如果没有重定向符，就返回空
}

int main()
{
  char myEnv[COM_SIZE][ARGV_SIZE];  //大小与前面有关
  int env_pos = 0;  //专门维护缓冲区
  int exit_code = 0;  //保存退出码的全局变量
  //这是一个始终运行的程序：bash
  while(1)
  {
    char command[COM_SIZE]; //存放指令的数组（缓冲区）
    
    //打印提示符
    printf("[User@myBash default]$ ");
    fflush(stdout);

    //读取指令
    //因为有空格，所以需要逐行读取
    fgets(command, COM_SIZE, stdin);
    assert(command);  //不能输入空指令
    (void)command; //防止在 Release 版本中出错

    command[strlen(command) - 1] = '\0';  //将最后一个字符 \n 变成 \0

    //重定向
    //在获取指令后进行判断
    //如果成立，则获取目标文件名 filename
    char *filename = checkDir(command);

    //指令分割
    //将连续的指令分割为 argv 表
    char* argv[ARGV_SIZE];
    split(argv, command);
  
   //特殊处理
   //颜色高亮处理，识别是否为 ls 指令
   if(strcmp(argv[0], "ls") == 0)
   {
     int pos = 0;
     while(argv[pos++]); //找到尾
     argv[pos - 1] = (char*)"--color=auto"; //添加此字段
     argv[pos] = NULL; //结尾
   }

   //目录间移动处理
   if(strcmp(argv[0], "cd") == 0)
   {
     //直接调用接口，然后 continue 不再执行后续代码
     if(strcmp(argv[1], "~") == 0)
       chdir("/home");  //回到家目录
     else if(strcmp(argv[1], "-") == 0)
       chdir(getenv("OLDPWD"));
     else if(argv[1])
       chdir(argv[1]);  //argv[1] 中就是路径
     continue;  //终止此次循环
   }

    //环境变量相关
    if(strcmp(argv[0], "export") == 0)
    {
      if(argv[1])
      {
        strcpy(myEnv[env_pos], argv[1]);
        putenv(myEnv[env_pos++]);
      }
      continue; //一样需要提前结束循环
    }

    //环境变量表
    if(strcmp(argv[0], "env") == 0)
    {
      showEnv();  //调用函数，打印父进程的环境变量表
      continue; //提前结束本次循环
    }

    //echo 相关
    //只有 echo $ 才做特殊处理（环境变量+退出码）
    if(strcmp(argv[0], "echo") == 0 && argv[1][0] == '$')
    {
      if(argv[1] && argv[1][0] == '$')
      {
        if(argv[1][1] == '?')
          printf("%d\n", exit_code);
        else
          printf("%s\n", getenv(argv[1] + 1));
      }

      continue;
    }

    //子进程进行程序替换
    pid_t id = fork();
    if(id == 0)
    {
      //判断是否需要进行重定向
      if(redir_type == REDIR_INPUT)
      {
        int fd = open(filename, O_RDONLY);
        dup2(fd, 0);  //更改输入，读取文件 filename
      }
      else if(redir_type == REDIR_OUTPUT)
      {
        int fd = open(filename, O_WRONLY | O_CREAT | O_TRUNC, 0666);
        dup2(fd, 1);  //写入
      }
      else if(redir_type == REDIR_APPEND)
      {
        int fd = open(filename, O_WRONLY | O_CREAT | O_APPEND, 0666);
        dup2(fd, 1);  //追加
      }

      //直接执行程序替换，这里使用 execvp
      execvp(argv[0], argv);

      exit(168); //替换失败后返回
    }
  
    //父进程等待子进程终止
    int status = 0;
    waitpid(id, &status, 0);  //在等待队列中阻塞
    exit_code = WEXITSTATUS(status);
    if(WIFEXITED(status))
    {
      //假如程序替换失败
      if(exit_code == 168)
        printf("%s: Error - %s\n", argv[0], "The directive is not yet defined");
    }
    else
      printf("process run fail! [code_dump]:%d [exit_signal]:%d\n", (status >> 7) & 1, status & 0x7F);  //子进程异常终止的情况
  }

  return 0;
}

🌆总结

以上就是本次关于 简易版 bash 模拟实现 的全部内容了，相信你在看完本文后，也能手搓出一个简易版 bash

如果你觉得本文写的还不错的话，期待留下一个小小的赞👍，你的支持是我分享的最大动力！

如果本文有不足或错误的地方，随时欢迎指出，我会在第一时间改正

星辰大海


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