操作系統實驗四（綜合實驗）設計簡單的Shell程序

前言

因為是一年前的實驗，很多細節還有知識點我都已經遺忘了，但我還是盡可能地把各個細節講清楚，請見諒。

1.實驗目的

綜合利用進程控制的相關知識，結合對shell功能的和進程間通信手段的認知，編寫簡易shell程序，加深操作系統的進程控制和shell接口的認識。

2.實驗內容

可以使用Linux或其它Unix類操作系統，全面實踐進程控制、進程間通信的手段，編寫簡易shell程序要求如下：

1. 學習Shell，系統編程，實現一個基本的Shell。

2. shell是Linux等系統中的一個命令解釋器, 它接受輸入的命令, 解釋之后與操作系統進行交互. 在Linux終端Terminal輸入的指令就是被shell接收的。在shell中實現輸入輸出。

3. 在自己編寫的Shell中實現bash的基本指令包括 cd ,ls 管道等指令

3.實驗的內容與過程

實驗前需要掌握的知識點：

在實驗前，我們應該先明白shell有以下幾個功能：

實現一個命令解析的程序

命令包含內部命令、外部命令和非法命令

內部命令包含：使用幫助的help命令，打印內容echo，目錄切換cd，退出程序exit或q

外部命令包含：系統命令，在$PATH下的命令

非法命令：找不到的命令

Shell的工作流程主要如下：

①打印提示符：可參照bash提示符，如用戶名@主機名，或者自定義提示符，如myshell >

②接收用戶輸入的命令：按行讀取內容

③解析用戶輸入的命令：解析行內容，按照空格來分隔成字符串數組

④執行命令：執行命令并打印命令結果到終端

⑤循環第一步

初步框架：

根據shell的工作流程，我們不難得出代碼的初步框架：

根據上述代碼框架，我們先編寫出自己的框架。

分析：

getcwd函數用于獲取當前工作目錄。因為shell的命令輸入是一直運行的，所以我們用while（1）來確保其不斷運行。接著在while中有三個自定義函數，分別為：print_promt（用來顯示命令行提示符：打印用戶名和當前工作目錄）、read_line（用來讀取用戶輸入的命令）、parse_cmd（用來處理用戶輸入的命令）。接下來我就解釋一下這三個自定義函數的功能。

print_promt函數：

print_promt函數：（打印的用戶名一定要記得改）

分析：

這個函數的主要功能為打印命令行提示符，打印的內容主要為用戶名和當前的工作目錄，分別用藍色字體和綠色字體輸出。

打印結果：

read_line函數：

分析：

這個函數的主要功能為讀取用戶輸入的命令，通過fgets函數將命令寫入全局變量command中，如果讀入失敗的話，則退出程序。

Parse_command函數：

分析：

這個函數主要用來判斷用戶輸入的命令是什么命令。當有輸入命令時，用自定義函數check來判斷，如果返回值為1則說明當前命令為內部命令，調用handleInternalCommand這個自定義函數來處理內部命令。如果在command里面查找到有字符‘|’則說明是一個帶有管道的命令，那么就調用executeCommandWithPipes這個自定義函數來處理命令。如果上述兩種情況都不滿足，則說明是外部命令，便調用自定義函數executeExternalCommand來處理外部命令。接下來就對這幾個自定義函數進行解釋。

Check函數：

分析：

這個函數主要用來判斷命令是否為內部命令，如果是則返回1，否則返回0。（命令可以自行添加）

HandleInternalCommand函數：

分析：

這個函數主要用來處理內部命令。因為我實現了三種內部命令（help、exit和cd）。如果判斷出輸入的命令為help，則打印出我們的提示信息。如果判斷出輸入的命令為exit，則退出程序。如果判斷輸入的命令為cd，則將路徑存放起來，改變當前工作目錄并保存。如果這三個命令都不是，則輸出無效命令的提示消息。

Executeexternalcommand函數：

分析：

這個函數主要用來執行外部命令。如果我們判斷當前輸入命令為外部命令時調用該函數。在這個函數中，我們先創建一個子進程，在子進程中，我們分割出命令，然后調用execvp函數去執行外部命令。如果執行時出錯，則說明是無效命令，并輸出相應的提示，一直等到子進程結束。

executeCommandWithPipes函數：

分析：

這個函數主要是執行帶有管道的命令。首先將命令按照管道符號“|”分割成多個子命令（由于分割的技巧，我的管道可以識別字符‘|’有空格和沒有空格的情況，下面會展示），接著根據子命令個數創建相應個數的管道。接著在管道數組中創建子進程（跟執行外部命令時的道理類似）。在執行子進程時，我們要判斷該子進程是第幾個子進程：如果不是第一個子命令，則將管道的輸入重定向到上一個子命令的輸出；如果不是最后一個子命令，則將管道的輸出重定向到下一個子命令的輸入。（這兩個過程可以通過調用dup2函數實現），接著關閉所有管道文件描述符并且執行子命令，一直等到所有子進程都結束了才算真正的執行完成了。注意，一定要關閉所有的管道文件描述符。

將以上的代碼結合在一起就能實現一個簡單的shell。至此，本次實驗已經成功完成了。

4.完整代碼

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/wait.h>#define MAX_COMMAND_LENGTH 100
#define MAX_ARGUMENTS 10
#define MAX_PIPES 10#define RED "\e[0;31m"
#define L_RED "\e[1;31m"
#define GREEN "\e[0;32m"
#define L_GREEN "\e[1;32m"
#define BLUE "\e[0;34m"   //正常設置
#define L_BLUE "\e[1;34m" //藍色線條粗一些（0為正常，1為粗體）
#define END "\033[0m"void handleInternalCommand(char *command);
void executeExternalCommand(char *command);
void executeCommandWithPipes(char *command);char *inner_commmand[] = {"help", "exit", "cd"}; // 內部命令
char current_directory[MAX_COMMAND_LENGTH];      // 當前工作目錄
char command[MAX_COMMAND_LENGTH];    //存放輸入命令//判斷是否為內部命令
int check(char *command)
{for (int i = 0; i < 3; i++){if (i == 2){if (strncmp(command, "cd ", 3) == 0)return 1;}if (strcmp(command, inner_commmand[i]) == 0)return 1;}return 0;
}// 輸出命令行提示符
void print_prompt()
{printf("\e[1;34msztu202100202016\033[0m:\e[1;32m%s\033[0m$ ", current_directory);
}void read_line()
{// 讀取用戶輸入的命令if (fgets(command, sizeof(command), stdin) == NULL){// 讀取失敗，退出程序exit(0);}// 刪除末尾的換行符command[strcspn(command, "\n")] = '\0';
}void parse_cmd()
{if (strlen(command) > 0){if (check(command) == 1){// 內部命令handleInternalCommand(command);}else if (strstr(command, "|") != NULL){// 帶有管道的命令executeCommandWithPipes(command);}else{// 外部命令executeExternalCommand(command);}}
}// 內部命令的處理函數
void handleInternalCommand(char *command)
{if (strcmp(command, "help") == 0){printf("這是一個簡單的shell程序。\n");printf("支持的命令:\n");printf("  help - 顯示幫助信息\n");printf("  exit - 退出myshell\n");printf("  cd [目錄] - 改變當前工作目錄\n");printf("  author:Horizon\n");}else if (strcmp(command, "exit") == 0){exit(0);}else if (strncmp(command, "cd ", 3) == 0){// 獲取目標目錄char *targetDir = &command[3];// 改變當前工作目錄if (chdir(targetDir) != 0){printf("無法改變目錄：%s\n", targetDir);}else{getcwd(current_directory, sizeof(current_directory)); // 更新當前工作目錄}}else{printf("無效命令：%s\n", command);}
}// 執行外部命令
void executeExternalCommand(char *command)
{pid_t pid = fork();if (pid < 0){// fork() 出錯printf("無法創建子進程。\n");return;}else if (pid == 0){// 子進程char *args[MAX_ARGUMENTS];// 將命令分割成參數int argIndex = 0;char *token = strtok(command, " ");while (token != NULL && argIndex < MAX_ARGUMENTS - 1){args[argIndex] = token;token = strtok(NULL, " ");argIndex++;}args[argIndex] = NULL;// 執行外部命令execvp(args[0], args);// execvp() 只在出錯時返回printf("無效命令：%s\n", command);exit(0);}else{// 等待子進程結束int status;waitpid(pid, &status, 0);}
}// 執行帶有管道的命令
void executeCommandWithPipes(char *command)
{char *pipes[MAX_PIPES];int pipeCount = 0;// 將命令按照管道符號 "|" 分割成多個子命令char *token = strtok(command, "|");while (token != NULL && pipeCount < MAX_PIPES){pipes[pipeCount] = token;token = strtok(NULL, "|");pipeCount++;}// 創建管道int pipefds[2 * pipeCount];for (int i = 0; i < pipeCount; i++){if (pipe(pipefds + 2 * i) < 0){perror("無法創建管道");exit(1);}}// 執行子命令for (int i = 0; i < pipeCount; i++){pid_t pid = fork();if (pid < 0){// fork() 出錯perror("無法創建子進程");exit(1);}else if (pid == 0){// 子進程// 如果不是第一個子命令，則將管道的輸入重定向到上一個子命令的輸出if (i > 0){if (dup2(pipefds[2 * (i - 1)], STDIN_FILENO) < 0){perror("無法重定向輸入");exit(1);}}// 如果不是最后一個子命令，則將管道的輸出重定向到下一個子命令的輸入if (i < pipeCount - 1){if (dup2(pipefds[2 * i + 1], STDOUT_FILENO) < 0){perror("無法重定向輸出");exit(1);}}// 關閉所有管道文件描述符for (int j = 0; j < 2 * pipeCount; j++){close(pipefds[j]);}// 執行子命令executeExternalCommand(pipes[i]);exit(0);}}// 關閉所有管道文件描述符for (int i = 0; i < 2 * pipeCount; i++){close(pipefds[i]);}// 等待所有子進程結束for (int i = 0; i < pipeCount; i++){int status;wait(&status);}
}int main()
{getcwd(current_directory, sizeof(current_directory)); // 獲取當前工作目錄while (1){// 顯示命令行提示符print_prompt();//讀取命令read_line();// 處理命令parse_cmd();}return 0;
}

運行的結果大家自行試驗就行了，我就不展示了。

至此，我們的實驗大功告成！如果大家有什么想法，可以在評論區提出，一起交流。