初识Linux · 自主Shell编写

发表于 2026-10-5 19:45:02

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所谓 shell，就是外壳解释程序。我们日常看到的命令行提示符、远程登录的 SSH，本质都是 shell。本文带你在 CentOS 上从零写一个简化版 shell，模拟 bash 的核心行为，目标是搞清楚命令行是怎么被一行行读进来、拆开、 fork 出去执行的。过程中会用到进程替换、进程等待、进程退出码这些前面的基础知识，它们是写 shell 的铺垫而非主体。

一、命令行提示符部分

先看一眼平时看到的提示符长什么样：_lazy@VM-12-14-centos ~。开头的 _lazy 是当前用户名，@ 后面是主机名，波浪号代表当前所处目录。我们的目标就是把这副样子原样复刻出来。

从哪儿拿用户名、主机名和当前目录

环境变量这时候就该登场了。输入 env，能看到一长串环境变量，其中 HOSTNAME、PWD、USER 分别对应主机名、当前路径和当前用户名。

取这三种途径：environ 全局环境变量表、命令行参数表、getenv。这里用 getenv，比二级指针 environ 更好读。三个小函数这样写：

#define SIZE 512

char* GetUser()
{
    char* user = getenv("USER");
    if (user == NULL) return NULL;
    return user;
}

char* Gethost()
{
    char* host = getenv("HOSTNAME");
    if (host == NULL) return NULL;
    return host;
}

char* Getcwd()
{
    char* cwd = getenv("PWD");
    if (cwd == NULL) return NULL;
    return cwd;
}

用 snprintf 拼出一整串

由于提示符后面还要接输入，不能拿换行当结束，用 snprintf 先把三段内容拼进一个字符数组，再打印这个数组。完整输出函数：

void OutputBash()
{
    char line[SIZE];

    char* username = GetUser();
    char* hostname = Gethost();
    char* cwd = Getcwd();

    snprintf(line, sizeof(line), "[%s@%s %s]>", username, hostname, cwd);
    printf("%s", line);
    fflush(stdout);
}

这里的 fflush(stdout) 不能省：提示符要等命令执行完才换行，不强制刷新，屏幕就会卡住不动。

如果 man 手册不全，补一下即可：sudo yum install man-pages。

只显示当前目录名

上面把整个路径都打出来了，不够像。理想效果只显示最后一段目录名。办法是把指针移到最后一个斜杠处，用宏比用函数省事（函数要传二级指针）：

#define SkipPath(p) do { p += (strlen(p) - 1); while (*p != '/') p--; } while (0)

但要兼容根目录的单个斜杠，条件判断写成这样更稳：

snprintf(line, sizeof(line), "[%s@%s %s]>", username, hostname, strlen(cwd) == 1 ? "/" : cwd + 1);

二、获取用户输入的命令行

接下来要接用户敲的命令。用 scanf 行不行？想想 ls -l -n -a 这种带参数的——scanf 遇空格或换行就断，只能拿到 ls 一个词。所以这里改用 fgets（gets 也行，但后面要接文件操作，fgets 更适合当缓冲区）：

int GetUserCommand(char* usercommand, size_t n)
{
    char* s = fgets(usercommand, n, stdin);
    if (s == NULL) return -1;

    return strlen(s);
}

这段代码有个隐患，第四部分会讲到。

三、拆分命令行参数

拿到整行命令不能直接执行。C 库函数 strtok 负责切分：第一个参数是待切字符串，第二个是分隔符集，切一次之后把第一个参数置 NULL 就能继续切。切完的结果存进数组，供后面的进程替换使用。

#define SEP " "
char* gArgv[SIZE];

void SplitCommand(char* usercommand)
{
    gArgv[0] = strtok(usercommand, SEP);
    int index = 1;
    while ((gArgv[index++] = strtok(NULL, SEP)));
}

两个值得留意的细节：分隔符是双引号包起来的空格字符串，注意它是 const char* 而不是单个字符，别写成单引号；另外 strtok 切完返回 NULL 正好可以当数组结束标志，循环写得很省。

四、执行命令

先不管内建命令，直接执行试试。核心是进程替换：

void ExcuteCommand()
{
    pid_t id = fork();

    if (id < 0) Die();
    else if (id == 0)
    {
        // child
        execvp(gArgv[0], gArgv);
        exit(1);
    }
    else
    {
        // father
        int status = 0;
        pid_t rid = waitpid(id, &status, 0);
        if (rid > 0)
        {
            lastcode = WEXITSTATUS(status);
            if (lastcode != 0) printf("%s:%s:%d\n", gArgv[0], strerror(lastcode), lastcode);
        }
    }
}

子进程 execvp 找不到命令就 exit(1)；父进程 waitpid 收尸，用 WEXITSTATUS 取退出码存进 lastcode，非 0 就报一行错。代码里的比较运算符是小于与大于两个符号，写在 HTML 里必须转义成 < 与 >，否则浏览器会把它当成标签。

到此还跑不起来，因为 fgets 会把敲的那一下回车也读进来，命令末尾带着换行，execvp 自然失败。把末尾回车清掉就行，宏定义 ZERO 完成这一步。

回头看第二步 fgets 的隐患：如果用户输入超过缓冲区长度，剩下的内容会滞留在 stdin，下一次读取就会拼上一段脏数据。真要做得稳，得处理"读满但未读完"的情况。

五、判断内建命令

cd、echo 这类内建命令只能在父进程里做，不能 fork 子进程去执行。判断逻辑简单粗暴，strcmp 比字符串即可：

void Cd()
{
    const char* path = gArgv[1];
    if (path == NULL) path = Gethost();
    // path 一定存在
    chdir(path);

    // 刷新环境变量
    char temp[SIZE * 2];
    getcwd(temp, sizeof(temp));
    snprintf(cwd, sizeof(cwd), "PWD=%s", temp);
    putenv(cwd);
}

int IsInorder()
{
    int yes = 0;
    const char* enter_cmd = gArgv[0];
    if (strcmp(enter_cmd, "cd") == 0)
    {
        yes = 1;
        Cd();
    }
    else if (strcmp(enter_cmd, "echo") == 0 && strcmp(gArgv[1], "$?") == 0)
    {
        yes = 1;
        printf("%d\n", lastcode);
        lastcode = 0;
    }
    return yes;
}

以 cd 为例：判断命中内建之后，在 Cd 里用 chdir 切当前工作目录，再用 getcwd 拿到新路径，拼成 PWD=... 后 putenv 写回环境变量。这样下一次提示符才能显示正确路径。

echo $? 是另一类内建：它要读父进程自己存的 lastcode，子进程里读不到父进程的上次退出码，所以也只能父进程执行。执行完顺手把 lastcode 清零，下一次才准。

六、一个完整 shell 该补齐什么

到这里，一个能显示提示符、能读命令、能切参数、能执行外部程序、能处理 cd 与 echo $? 的迷你 shell 就成型了。往真实 bash 再走，还差几块：

历史与行编辑：上下键翻历史、Tab 补全，需要 readline 库。
管道与重定向：解析 |、>、<，配合 dup2 做重定向。
环境变量展开：$VAR 的替换与展开。
信号处理：Ctrl+C 不该让 shell 自己死掉，要交给子进程，用 signal 加 job control。
读满残留：处理第二步提到的输入缓冲问题。

每补一块，都对应一类系统调用。写 shell 最大的收获不是造出一个 bash，而是把"一条命令从敲下到跑起来"这件事彻底拆开看了一遍。

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本文按命令行提示符、读取用户输入、拆分参数、进程替换执行、内建命令判断五个步骤，还原一个简化版 Linux shell 的实现过程，并说明 fgets 残留输入、回车未清、cd 与 echo 星号必须父进程执行等具体问题处。文中代码为教学示例，仅建议在自有测试环境的实验中运行，勿在生产机器上覆盖系统 shell；涉及 chdir、putenv 这类改动进程状态的调用，请先理解其作用范围再动手。