[系统运维]从头实现Linux指令（一）实现自己的shell

本文从零实现Linux指令系列文章，其他系列文章：

从头实现Linux指令（零）序言
从头实现Linux指令（一）实现自己的shell

shell概述

熟悉linux的人应该都对shell有一个感性的认识，大概知道它是什么~我们还可以用一些更加精确的语言给它一个定义：命令行解释器( CLI) 或shell是代表其用户运行其他程序的程序。shell 反复打印提示例如$，等待用户输入，然后执行用户的操作。不用shell的linux是没有灵魂的
用户输入的命令行是由空格分隔的 ASCII 单词序列。命令行中的第一个单词要么是内置命令的名称，要么是可执行文件的名称。剩下的词是命令行参数。
linux发行版例如ubuntu自带的shell一般是bash，除了bash以外，还有一些很好用的shell工具，这里强推zsh。

本项目希望能够实现一个迷你的shell，功能也许不强大，但应该具有基本的shell功能，例如ls, cd, pwd, path, 并发执行以及重定向等功能。本文首先介绍各模块的实现，最后说明如何运行并调试本项目。

完全掌握整个项目代码的时间：30h

开始使用 Shell 项目

如果有厉害的大手子想直接审查一下笔者写的代码，可以直接访问github：https://github.com/SFUMECJF/linux-command

0 练手任务

斐波那契数列大家都知道是什么，不过我们这里使用c语言中的fork() / wait()以递归方式编写。每个子进程将其结果返回给父进程，父进程一直等到子进程完成。那么通过这个练习要掌握父子进程通信的方式。
如果不限制必须使用多进程 的方式的话，实现是很简单的：

int helper(int n) {
    if (n == 0)
       return 0;
    else if (n == 1)
        return 1;
    else {
        return helper(n - 1) + helper(n - 2);
    }
}

那么用进程怎么办呢？
实现思路如下：

1. 每次递归调用函数的时候，都开一个新进程调用递归函数。
2. 父进程给子进程可以直接传参，子进程给父进程的返回值这里利用exit()函数，也即如果子进程调用 exit(0)结束，则父进程可以通过wait(&return_value)等待子进程结束，然后再利用sum += WEXITSTATUS(return_value);将相应子进程的返回值收集到我们想要的结果上。

实现结果：

make fib #编译
unix> fib 3
2
unix> fib 10
55

1 shell 骨架

本节练习系统调用，strtok、strcmp和execv，完成的目标是解析输入的指令以及实现内部指令。

1.1 REPL

任何 shell 的核心都是 REPL，即read-evaluate-print loop。这是一个重复执行以下三个动作的循环：

1. 从用户（或从用户指定的脚本）读取输入。
2. 评估输入，弄清楚用户想要做什么并去做。
3. 打印相关的任何输出。

本项目在行首循环打印utcsh>，然后使用getline读取用户的输入到c语言的字符串数组。读取数组之后，使用strtok对数组按照空格拆分，就可以获取每个单独的单词了~也就是命令以及参数。

1.2 内部命令

1. exit：该指令退出shell程序。使用系统调用exit(0)完成

2. cd：cd总是只接受一个参数。使用系统调用chdir()完成。

3. path：path命令接受零个或多个参数，每个参数由空格分隔。典型的用法可能如下所示：utcsh> path /bin /usr/bin需要在代码内部维护一个二维字符串数组，每次更新的路径放到数组中。路径是为了在执行外部命令时能够找到相应的可执行程序。

1.3 外部命令

如果给出的命令不是三个内置命令之一，则应将其视为外部可执行程序。

对于这些外部命令，使用 fork-and-exec 方法执行程序。每一个外部指令，都利用系统调用execv()调用一个子进程来执行。这里execv如何能够找到外部可执行程序呢，要靠我们上面维护的路径二维数组。

对于父进程：父进程应该使用wait()或waitpid()等待子进程。

1.4 读入shell脚本文件

除了手动输入命令之外，还需要能够处理文件中的大量脚本。这里练习的文件操作，打开文件，读取一行，注意这里不是从标准输入读取，而是从文件中读取。

1.5 重定向

很多时候，shell 用户更喜欢将程序的输出发送到文件而不是屏幕。shell支持使用 > 以及 < 进行输入和输出的重定向。这里使用open()以及dup1和dup2完成重定向到文件的功能。

1.6 并发执行命令

utcsh> cmd1 & cmd2 & cmd3 args1
输入以上命令时， shell 应该并发执行cmd1，cmd2和cmd3（无论传递了什么参数） ，然后等待它们中的所有命令完成。
然后，一旦所有子进程都已启动，父进程必须使用wait()或waitpid() 确保所有进程都已完成，然后再继续。

1.7 测试与运行

运行：make
调试：make debug之后使用gdb或者vscode配置好环境用ide调试
测试代码功能是否正确，总共有32个测试。make check搞定所有测试，make testcase id=3单独测试第3条。

1.8 收获与想法

很久之前我做robomaster，学习了CMake以及c++调用Open CV库的基本操作。但当我去字节实习面试的时候，只记得面试官很诧异地问我：啊，你的代码里都没有系统调用吗？（那时我只会打开文件，而且并不知道文件操作也属于系统调用的一部分）~
希望大家Linux开发的知识都多多的~