Day 8 实现简易Shell

一、什么是 Shell

在 Linux 中，Shell 本质上是一个用户态程序，它的核心职责只有一件事：

读取用户输入的命令，将其解析为程序执行请求，并通过内核机制创建和管理进程。

从内核视角看，Shell 并不特殊：

• 它不是系统调用
• 它不运行在内核态
• 它和 ls、cat 一样，都是普通进程

Shell 的“特殊性”仅在于：

• 它长期运行
• 它频繁调用 fork / exec / wait
• 它充当用户与内核之间的交互中介

因此可以说：

Shell 是一个以“进程管理”为核心逻辑的普通程序。

二、一个「简易 Shell」需要实现哪些功能

为了避免目标失控，我们先定义一个教学级、可控范围内的简易 Shell。
这个 Shell 不追求功能全面，而追求概念完整、语义正确。

1️⃣ 命令读取（Command Reading）

Shell 首先要做的，是从标准输入中读取一行用户命令，例如：

ls -l /tmp

这一步的技术本质是：

• 从 stdin 读取一行文本
• 正确处理换行符
• 正确处理 EOF（Ctrl+D）

常见手段包括：

• getline()（推荐，自动扩容）
• read()（更底层，需自行管理缓冲区）

这是 Shell 与用户交互的起点。

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2️⃣ 参数解析（Argument Parsing）

Shell 不能把整行字符串直接交给内核，它必须将命令拆解为：

argv[0] = "ls"
argv[1] = "-l"
argv[2] = "/tmp"
argv[3] = NULL

这一步的本质是：

把“文本命令”转换为 exec 系列函数所需的参数数组。

在简易 Shell 中，解析规则可以非常简单：

• 以空格分割
• 不考虑引号、不考虑转义、不考虑变量替换

但即便如此，这一步也清晰地区分了：

• Shell 层面的语法处理
• 内核层面的进程执行

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3️⃣ 创建进程并执行命令（fork + exec）

这是 Shell 的核心执行路径：

1. Shell 调用 fork()
2. 子进程调用 execvp()
3. 父进程调用 wait() 或 waitpid()

这一步体现了 Unix 设计中最重要的原则之一：

进程创建（fork）与程序执行（exec）是分离的。

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4️⃣ 内建命令（Built-in Commands）

并非所有命令都能用 exec 实现。

例如：

cd /home
exit

这些命令的特点是：

• 必须影响 Shell 自身的状态
• 如果放到子进程中执行，将毫无意义

因此，一个简易 Shell 至少需要实现：

• cd
• exit

这一步让你真正理解：

为什么 Shell 不能只是 fork + exec 的包装器。

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5️⃣ 基础重定向与管道（核心进阶）

为了体现 Shell 的“操作系统味道”，简易 Shell 通常还会支持：

• 单个管道：ls | wc -l
• 基本重定向：>、<

这背后的技术核心是：

• pipe
• dup2
• 文件描述符的继承与关闭

这一步把你前面学过的 fd / pipe / dup2 串成一个完整系统。

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三、循序渐进的技术路线图（强烈推荐）

下面是一条完全可执行、不会跳跃、每一步都有“完成感”的路线图。

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🚀 Stage 1：最小 Shell 骨架（基础必做）

目标：
让 Shell 能执行最简单的外部命令。

你需要完成：

1. 循环读取一行命令（getline）
2. 将命令拆分为 argv（空格分割）
3. fork
4. execvp
5. wait

完成标志：

myshell$ ls
myshell$ ps

代码：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>
#include <sys/wait.h>
int split_by_space(char *line, char *argv[], int max_argv);
int main(int, char **)
{

    char *line = NULL;
    size_t size = 0;
    ssize_t nread;
    while (1)
    {
        printf("mysh>");
        fflush(stdout);
        nread = getline(&line, &size, stdin);

        if (nread == -1)
        {
            printf("\n");
            break;
        }
        if (line[nread - 1] == '\n')
        {
            line[nread - 1] = '\0';
        }

        if (line[0] == '\0')
        {
            continue;
        }

        char *argv[64];
        split_by_space(line, argv, 64);

        pid_t pid = fork();
        if (pid == 0)
        {
            execvp(argv[0], argv);
            perror("exec");
            exit(1);
        }
        wait(NULL);

    }
    free(line);
    return 0;
}

int split_by_space(char *line, char *argv[], int max_argv)
{

    int argc = 0;
    char *token;
    char *saveprt = NULL;
    token = strtok_r(line, " ", &saveprt);
    while (token != NULL && argc < max_argv)
    {
        // printf("token is:%s\n", token);
        argv[argc++] = token;
        token = strtok_r(NULL, " ", &saveprt);
    }
    argv[argc] = NULL;
    return argc;
}

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🚀 Stage 2：内建命令与健壮性

目标：
让 Shell 行为“像一个真正的 Shell”。

你需要完成：

• cd（父进程中执行）
• exit
• exec 失败处理
• Ctrl+D（EOF）退出

完成标志：

myshell$ cd /tmp
myshell$ exit

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🚀 Stage 3：管道（pipe + dup2）

目标：
实现最经典的 Unix 管道模型。

你需要完成：

• 单管道解析
• pipe 创建
• dup2 重定向 stdin/stdout
• 正确关闭 fd

完成标志：

myshell$ ls | wc -l

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🚀 Stage 4：重定向（输入 / 输出）

目标：
理解 fd 与文件的统一抽象。

你需要完成：

• > 输出重定向
• < 输入重定向
• 与 exec 配合

完成标志：

myshell$ ls > out.txt
myshell$ wc -l < out.txt

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🚀 Stage 5（可选）：信号与后台执行

进阶方向，可自由选择：

• Ctrl+C 不杀 shell
• & 后台执行
• SIGCHLD 回收子进程

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