C++ 与 Linux 基础：用 C++ 实现简易 Shell 进程控制

1.知识准备

1-0 小前言

在 Linux 世界里，Shell 是用户最熟悉的程序之一。它既不是黑魔法，也不是操作系统本身，只是一个运行在用户态的程序。它的工作像一个传声筒：读取指令 -> 翻译给内核 -> 把结果拿回来。今天，我们用 C++ 从零实现一个简单的 Shell。

1-1 Shell 是什么

Shell 的中文意思是'壳'。想象一下坚果或者鸡蛋：

1. 核心（Kernel）：坚果的果肉。这是操作系统最核心的部分，直接管理 CPU、内存等硬件。
2. 外壳（Shell）：坚果的硬壳。包裹在核心外面，保护核心。
3. 用户（User）：我们在壳外面。 结论：Shell 就是包裹在操作系统内核外面的一层软件壳。它是用户和内核之间的翻译官。

1-2 必备的 exec 系列函数

exec 系列函数用于替换当前进程的映像。如果说 fork() 是分身术，那么 exec 系列函数就是夺舍。当一个进程调用 exec 函数时，它的身体（PCB、进程 ID）还是原来的，但是灵魂（代码段、数据段、堆栈）被完全替换了。一句话总结：exec 只有去，没有回。

1-2-1 execl 函数

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>

int main() {
    printf("这是我的进程\n");
    // 参数列表以 NULL 结尾
    execl("/bin/ls", "ls", "-a", "-l", NULL);
    // 如果 execl 成功，下面这行永远不会执行
    perror("execl failed");
    return 0;
}

1-2-2 execv 函数

v 代表数组。我们需要把自己需要的指令放在一个数组里面。

#include <unistd.h>
#include <stdio.h>

int main() {
    printf("Before exec\n");
    char* args[] = {"ls", "-l", "-a", NULL};
    int ret = execv("/bin/ls", args);
    perror("execv failed");
    return 1;
}

1-2-3 execvp 函数

尾部加一个 p，表示在 PATH 环境变量中查找程序，不需要写完整路径。

#include <unistd.h>
#include <stdio.h>

int main() {
    char* args[] = {"ls", "-l", NULL};
    printf("尝试运行 ls ...\n");
    if (execvp("ls", args) == -1) {
        perror("execvp 失败");
        return 1;
    }
    return 0;
}

1-2-4 execvpe 函数

e 代表 Environment，可以传入自定义环境变量数组。

#define _GNU_SOURCE
#include <unistd.h>
#include <stdio.h>

int main() {
    char* args[] = {"printenv", NULL};
    char* new_env[] = {"MY_NAME=WWH", "HOME=/tmp", NULL};
    printf("正在运行 printenv，并替换环境变量...\n");
    execvpe("printenv", args, new_env);
    perror("execvpe failed");
    return 1;
}

1-2-5 总结

后缀	含义	作用
l	List	参数一个个列出来
v	Vector	参数放数组里
p	Path	在 $PATH 里找程序
e	Environment	自定义环境变量

2.主要功能 1：打出指定的格式

2-1 三个 Get 函数，获取信息

利用 getenv 获取环境变量。

const char* GetUserName() {
    char* name = getenv("USER");
    return name == nullptr ? "None" : name;
}

const char* GetHostName() {
    char* name = getenv("HOSTNAME");
    return name == nullptr ? "None" : name;
}

const char* GetPwd() {
    char* name = getenv("PWD");
    return name == nullptr ? "None" : name;
}

2-2 打印 shell，启动进程

void PrintCommand() {
    printf("[%s@%s %s]* ", GetUserName(), GetHostName(), GetPwd());
    fflush(stdout);
}

Makefile:

MyShell: MyShell.cc
g++ -o $@ $^ -std=c++11
.PHONY: clean
clean:
rm -f MyShell

2-3 开始改进代码，复用性提高

void MakeCommand(char* cwd_prompt, int size) {
    snprintf(cwd_prompt, size, "%s@%s %s* ", GetUserName(), GetHostName(), GetPwd());
}

void PrintCommand() {
    char prompt[COMMAND_SIZE];
    MakeCommand(prompt, sizeof(prompt));
    printf("%s", prompt);
    fflush(stdout);
}

3.主要功能 2：获取用户指令

使用 fgets 从键盘读取，并用 strtok 分割命令。

bool GetCommandLine(char* out, int size) {
    char* c = fgets(out, size, stdin);
    if (c == nullptr) return false;
    out[strlen(out) - 1] = 0; // 去掉换行符
    if (strlen(out) == 0) return false;
    return true;
}

#define SPE " "
bool CommandParse(char* command) {
    g_argc = 0;
    g_argv[g_argc++] = strtok(command, SPE);
    while ((bool)(g_argv[g_argc++] = strtok(nullptr, SPE)));
    g_argc--;
    return true;
}

4.主要功能 3：利用子进程执行

int Execute() {
    pid_t id = fork();
    if (id == 0) {
        // child
        execvp(g_argv[0], g_argv);
        exit(1);
    }
    // father wait
    pid_t rid = waitpid(id, nullptr, 0);
    (void)rid;
    return 0;
}

int main() {
    while (true) {
        PrintCommand();
        char commandline[COMMAND_SIZE];
        GetCommandLine(commandline, sizeof(commandline));
        CommandParse(commandline);
        Execute();
    }
    return 0;
}

总结

这个 Shell 实现了基本的命令解析和执行功能，主要问题在于 cd 等内置命令的处理。通过 fork 和 exec 系列函数，我们完成了对简易 Shell 工具的开发。