操作系统课程设计——简单shell命令行解释器实现

前言

hnust操作系统课程设计，其他题目较为简单，可参考其他优秀博主的文章，这里仅介绍两道题

• 简单 shell 命令行解释器的设计与实现
• 银行家算法改进实现

本篇为简单 shell 命令行解释器的设计与实现

白嫖容易，创作不易，若大家认为有用，学到东西，不妨点个赞

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附上另一篇博客链接：银行家算法改进实现

仅用于学习，如有侵权，请联系删除

实验题目

简单 shell 命令行解释器的设计与实现

实验目的

本实验主要目的在于进一步学会如何在 Linux 系统下使用进程相关的系统调 用，了解 shell 工作的基本原理，自己动手为 Linux 操作系统设计一个简单的命 令接口

设计内容和要求

要设计的 shell 类似于 sh,bash,csh 等，必须支持以下内部命令：

（1）cd <目录>更改当前的工作目录到另一个<目录>。如果<目录>未指定， 输出当前工作目录。如果<目录>不存在，应当有适当的错误信息提示。这个命 令应该也能改变 PWD 的环境变量；

（2）environ 列出所有环境变量字符串的设置（类似于 Linux 系统下的 env 命令）；

（3）echo < 内容 > 显示 echo 后的内容且换行；

（4）help 简短概要的输出你的 shell 的使用方法和基本功能；

（5）jobs 输出 shell 当前的一系列子进程，必须提供子进程的命名和 PID 号；

（6）quit,exit,bye 退出 shell。
提示：shell 的主体就是反复下面的循环过程

while(1)

{ 58 接收用户输入的命令行；

解析命令行；

if(用户命令为内部命令) 直接处理；

else if(用户命令为外部命令)

创建子进程执行命令；

else 提示错误的命令； }

总体设计

在CLUI(Command Line User Interface，与GUI对应)模式下，用户是通过shell与系统交互的。shell也是一个程序，它与其他程序最大的不同是：它的目的是执行其他程序，而不是从事计算、绘图、存储等等具体事务。

●shell不断询问是否有键盘输入，用户以enter结束键盘输入

●shell执行后，会用户输入的字符串，判断用户输入的命令是否合理，若合理则调用相关函数

●shell 判断命令合理后，会判断命令为内部命令或外部命令，若为外部命令，则提示用户输入非法命令，并需要重新输入

●shell在得到内部命令后，会判断其是否需要使用fork()函数，若不需要fork子进程，则直接根据功能输出即可

●shell判断需要fork子进程后，会在相关函数内fork子进程，并且调用相关库函数，实现相关功能。

流程图：

详细设计

算法步骤：

命令解释器首先是一个无限循环。

1. 首先在main函数中，我们需要设置一个无限循环，不断让用户输入命令

2. 使用getline()函数进行输入，这里需要注意，必须使用getline，因为输入中包含了空格，用cin会出错

   cout << "请输入要执行的命令：(查看帮助请输入help)" << endl;
   getline(cin,CMD);//这里必须使用getline，因为输入需要包含空格！
   

3. 通过if-else结构进行解析命令字符串

4. 判断若输入的是quit、bye、exit命令，则直接break跳出循环，表示退出shell

5. 若命令为help，调用HELP函数输出帮助文档

6. 若判断为echo，则采用字符串切片输出

   else if(CMD.find("echo")!=string::npos) cout << CMD.substr(5) << endl;
   

7. 若判断为environ、jobs、cd这三个命令，此时需要创建子进程，分别调用其函数

8. ENVIRON函数中，fork创建子进程，使用execlp函数控制执行linux命令env达到该功能，此时需要注意，父进程需要使用waitpid等待子进程结束

   核心代码：

   execlp("env","",NULL);
   

       pid_t pid;
       pid = fork();
       if(pid==0)
       {
           int a = execlp("env","",NULL);
           if(a==-1)
           {
               cout << "执行命令environ失败！" << endl;
               exit(0);
           }
       }
       else if(pid<0)
       {
           cout << "创建子进程失败！" << endl;
           exit(0);
       }
       else if(pid>0) waitpid(pid,NULL,0);//父进程阻塞等待指定子进程结束
   

9. JOBS函数中同上，采用execlp函数调用pstree -p命令，以树形结构显示程序和进程之间的关系

   execlp("pstree","-p",NULL);
   

10. 最为困难的是CD函数的实现，该函数需要实现切换到另一个目录，这里采用了chdir()函数进行更改目录，其中利用C++字符串操作，控制其参数Path，更改目录后，再调用execlp，利用ls -a命令输出当前工作目录。这里纠结许久，因为全部使用execlp函数会在第一个execlp函数结束后子进程就直接结束了。

    注意事项：其实此处并未完善，没有完全判断输入的情况，由于我懒所以不想改了，有兴趣得同学可以自行修改

    其中得 path 目录也需要根据个人得Linux目录更改

    if(CMD=="cd "||CMD=="cd")
    {
        cout << "输出当前工作目录" << endl;
        execlp("ls","-a",NULL);
    }
    else if(CMD.size()>3)
    {
        string path="/root/"+CMD.substr(3);
        cout << chdir(path.c_str()) << endl;
        cout << "输出当前工作目录" << endl;
        execlp("ls","-a",NULL);
    }
    

实验结果分析

cd命令：

env命令：

help命令：

jobs命令：

echo命令：

小结与心得体会

此次设计一个简单的Shell命令行解释器，进一步理解了Linux系统下使用进程的相关系统调用，进一步理解shell命令解释器的工作原理和工作机制，在此次实验的设计与实践操作过程中，遇到些许问题，例如使用cin输入会出错，必须使用getline输入空格，以及execlp()函数的使用，其中各种参数的意义，以及函数执行后子进程直接退出。

此次实验总体并不难，利用C++字符串基础即可轻松完成大部分功能，但是其中最为困难的是cd命令，需要考虑如何正确转换到指定目录，以及如何在转换后还能输出当前目录。经过查阅资料，解决以上问题，深入理解了shell 命令行解释器工作原理。

源码如下：

#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 

using namespace std;

string CMD;//传入的命令

void HELP();
void ENVIRON();
void JOBS();
void CD();

void HELP()
{
    cout << "-----------------------" << endl;
    cout << endl;
    cout << "支持的命令\t" << "功能" << endl;
    cout << endl;
    cout << "cd [目录]\t" << "更改当前目录到另一个<目录>" << endl;
    cout << endl;
    cout << "environ\t\t" << "列出所有环境变量字符串的设置" << endl;
    cout << endl;
    cout << "help\t\t" << "列出shell的使用方法和基本功能" << endl;
    cout << endl;
    cout << "echo [内容]\t" << "显示出echo后的内容并换行" << endl;
    cout << endl;
    cout << "jobs\t\t" << "输出 shell 当前的一系列子进程，必须提供子进程的命名和 PID 号。" << endl;
    cout << endl;
    cout << "quit,exit,bye\t" << "退出 shell。" << endl;
    cout << endl;
    cout << "-----------------------" << endl;
}

void ENVIRON()
{
    cout << "-----------------------" << endl;
    pid_t pid;
    pid = fork();
    if(pid==0)
    {
        int a = execlp("env","",NULL);
        if(a==-1)
        {
            cout << "执行命令environ失败！" << endl;
            exit(0);
        }
    }
    else if(pid<0)
    {
        cout << "创建子进程失败！" << endl;
        exit(0);
    }
    else if(pid>0) waitpid(pid,NULL,0);//父进程阻塞等待指定子进程结束
    cout << "-----------------------" << endl;
}

void JOBS()
{
    cout << "-----------------------" << endl;
    pid_t pid;
    pid = fork();
    if(pid>0) waitpid(pid,NULL,0);//父进程阻塞等待指定子进程结束
    else if(pid==0)
    {
        int a = execlp("pstree","-p",NULL);
        if(a==-1)
        {
            cout << "执行命令jobs失败！" << endl;
            exit(0);
        }
    }
    else
    {
        cout << "创建子进程失败！" << endl;
        exit(0);
    }
    cout << "-----------------------" << endl;
}

void CD()
{
    cout << "-----------------------" << endl;
    pid_t pid;
    pid = fork();
    if(pid>0) waitpid(pid,NULL,0);//父进程阻塞等待指定子进程结束
    else if(pid<0)
    {
        cout << "创建子进程失败！" << endl;
        exit(0);
    }
    else
    {
        if(CMD=="cd "||CMD=="cd")
        {
            cout << "输出当前工作目录" << endl;
            execlp("ls","-a",NULL);
        }
        else if(CMD.size()>3)
        {
            string path="/root/"+CMD.substr(3);
            cout << chdir(path.c_str()) << endl;
            cout << "输出当前工作目录" << endl;
            execlp("ls","-a",NULL);
        }
    }
    cout << "-----------------------" << endl;
}

int main()
{
    while(true)
    {
        cout << "请输入要执行的命令：(查看帮助请输入help)" << endl;
        getline(cin,CMD);//这里必须使用getline，因为输入需要包含空格！
        if(CMD=="quit"||CMD=="exit"||CMD=="bye") break;
        else if(CMD=="help") HELP();
        else if(CMD.find("echo")!=string::npos) cout << CMD.substr(5) << endl;
        else if(CMD=="environ") ENVIRON();
        else if(CMD=="jobs") JOBS();
        else if(CMD.find("cd")!=string::npos) CD();
        else cout << "非法命令，请重新输入" << endl;
    }
    cout << "程序退出！" << endl;
    return 0;
}