使用 C++ 在 Linux 环境下从零实现一个简单的 Shell 程序。内容涵盖 Shell 的基本概念、内核与用户态的关系，重点讲解了 exec 系列系统调用函数（execl、execv、execvp、execvpe）的原理与用法。通过 fork 创建子进程、wait 等待子进程结束，实现了命令提示符打印、用户指令读取解析以及命令执行的核心功能。代码示例展示了如何构建参数数组、处理环境变量及格式化输出，帮助读者理解进程控制与系统编程的基础知识。
在 Linux 世界里，Shell 是我们最熟悉的陌生人。它既不是黑魔法，也不是操作系统本身，它只是一个运行在用户态的程序。它的工作就像一个不知疲倦的'传声筒'：读取你的指令 -> 翻译给内核 -> 把结果拿回来给你。今天，我们就剥开这层'壳'，用 C++ 从零实现一个简单的 Shell，看看 ls、cd 这些命令背后到底发生了什么。
Shell 的中文意思是'壳'。想象一下坚果或者鸡蛋：
结论：Shell 就是包裹在操作系统内核（Kernel）外面的一层'软件壳'。它是用户和内核之间的翻译官。
我们的 Shell 通常由以下部分组成：
* 或 $）随后在同一行去写我们的命令，比如 ls 或者 cd 之类的命令。
int execl(const char *path, const char *arg, ...);
int execv(const char *path, char *const argv[]);
int execle(const char *path, const char *arg, ..., char *const envp[]);
int execve(const char *path, char *const argv[], char *const envp[]);
int execlp(const char *file, const char *arg, ...);
int execvp(const char *file, char *const argv[]);
这些都是 exec 系列的函数，它是做什么的？在这之前我们已经讲过了 fork 这个函数，如果说 fork() 是'分身术'，让一个进程复制出一个一模一样的自己；那么 exec 系列函数就是'夺舍'（或者叫'大脑移植'）。 为什么这么说？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。它不再执行原来的程序，而是开始执行新的程序。 一句话总结：exec 只有去，没有回。一旦调用成功，原来的后续代码就永远不会被执行了（因为被抹除了）。 简而言之，就是替换原来的程序的进程来执行新的命令，利用这个我们就可以来完成 shell 的功能：你写什么它就运行什么。
execl 函数：exec + l 例子精讲先拿 int execl(const char *path, const char *arg, ...) 来简单做个例子。
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
int main() {
printf("这是我的进程\n");
// 如果 execl 成功，下面这行永远不会执行！
// 如果 execl 失败（比如路径不对），下面这行才会打印。
execl("/bin/ls", "ls", "-a", "-l", NULL);
perror("execl failed");
printf("进程结束，如果没被替换，你就可以看到这个代码\n");
return 0;
}
可以看到的确出现了 ls -a -l 的命令，这就巧妙地利用这个接口，完成了进程的接环。
execv 函数：exec + v这里的 v 就是指数组，这里我们不需要再像之前一样，只需传入数组指针就可以完成对指令的传递。我们需要把自己需要的指令放在一个数组里面，这样就可以了：
#include <unistd.h>
#include <stdio.h>
int main() {
printf("Before exec\n");
// 定义参数数组
// 注意：第一个元素通常是程序名，最后一个必须是 NULL
char *args[] = {"ls", "-l", "-a", NULL};
// 传入路径和数组
int ret = execv("/bin/ls", args);
// 如果执行到这里，说明 execv 失败了
perror("execv failed");
return 1;
}
在有图片中，我们可以清楚地看到我的程序原本是要打印后面的话的，但是并没有执行，这也是同样因为 execv() 这个接口，切换了进程。
execvp 函数 尾部再加一个 p以数组举例，l 结尾的加一个 p 也是一样的效果：重点体验不一样的效果：有了这个 p（其实就是 path，这样就不用加 /bin/ls,直接使用 ls)，这个也是比较方便的：
#include <unistd.h>
#include <stdio.h>
int main() {
// 参数数组（和 execv 一样，v 代表 vector）
char *args[] = {"ls", "-l", NULL};
printf("尝试运行 ls ...\n");
// 【关键点】这里第一个参数直接写 "ls"，不用写 "/bin/ls"
// 系统会自动找到 /bin/ls 并执行
if (execvp("ls", args) == -1) {
perror("execvp 失败");
return 1;
}
return 0;
}
execvpe 函数（最全面）还加上了一个关键词 e，这个就是 env，e (Environment)：你可以传入一个新的环境变量数组 (envp[])，而不是继承当前进程的环境变量。
#define _GNU_SOURCE // 必须定义这个宏才能使用
#include <unistd.h>
int execvpe(const char *file, char *const argv[], char *const envp[]);
#define _GNU_SOURCE // 必须加在最开头，因为 execvpe 是 GNU 扩展
#include <unistd.h>
#include <stdio.h>
int main() {
// 1. 参数数组
char *args[] = {"printenv", NULL};
// 2. 自定义环境变量数组
// 格式必须是 "KEY=VALUE"
char *new_env[] = {"MY_NAME=WWH", "HOME=/tmp", NULL}; // 必须以 NULL 结尾
printf("正在运行 printenv，并替换环境变量...\n");
// 3. 调用 execvpe
// 这里的 "printenv" 会在 PATH 里自动查找
// new_env 会完全替换掉旧的环境变量
execvpe("printenv", args, new_env);
perror("execvpe failed");
return 1;
}
一句话总结就是帮我在 PATH 里找这个程序，用我给你的参数数组 (v) 运行它，并且强行指定它的环境变量 (e)。
| 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 |
我们注意观察下 shell 的样式：
这里可以看到和之前在前言部分介绍的一样，我们只要利用我们的程序来完成打印这个一行命令就可以了：我们需要准备 3 个函数：
const char* GetUserName() {
char* name = getenv("USER"); // 记得 user 要大写
return name == nullptr ? "None" : name; // 如果获取失败就返回空指针，用 const 防止修改
}
第一个函数是查询进程的用户名字，由于我们这个进程是从父进程来的，所以是具有这些环境变量的，如果是空就返回 None。 剩下的两个也是这个意思：
const char* GetHostName() {
char* name = getenv("HOSTNAME");
return name == nullptr ? "None" : name;
}
const char* GetPwd() {
char* name = getenv("PWD");
return name == nullptr ? "None" : name;
}
这样我们三个变量就都搞到了。接下来就是打印指定的格式，为了区分我们的和 shell 的我们还做出一下的改变，比如加入 [] 和 *：
void PrintCommand() {
printf("[%s@%s %s]* ", GetUserName(), GetHostName(), GetPwd());
fflush(stdout); // 这里解释一下：printf 必须要按一下回车，才能输出，所以先刷新
}
由于我们后面需要经常编译和清理：我们还可以尝试写一个 makefile 来帮助我们来完成本次的编译和删除：
MyShell: MyShell.cc
g++ -o $@ $^ -std=c++11
.PHONY: clean
clean:
rm -f MyShell
目前看到这个程序是的域名是空的，这是为什么呢？简单的说：HOSTNAME 通常只是 Shell 内部的一个私有变量，并没有被'导出' (export) 成环境变量，所以你的 C 程序看不到它。所以我们后面需要执行下面这个部分的命令：
export HOSTNAME
随后在开始运行，我们可以看到一切正常，没问题。最后，我们在改进一下，让代码更好看点：
void MakeCommand(char* cwd_prompt, int size) {
snprintf(cwd_prompt, size, "%s@%s %s* ", GetUserName(), GetHostName(), GetPwd());
// 这里就是把后面三个参数写入这个 cwd_prompt 里面
// 这个更加安全，需要 size
}
void PrintCommand() {
char prompt[COMMAND_SIZE];
MakeCommand(prompt, sizeof(prompt)); // 制作指定格式的字符串，下面可以打印指定的了
printf("%s", prompt);
fflush(stdout); // 这里解释一下：printf 必须要按一下回车，才能输出，所以先刷新
}
这样就完成了对输出一个 shell 提示已经完成了。
在我们之前讲的 exec 系列函数可以来帮助我们来实现这次的获取函数指令：我们可以看到用户从键盘中输出的时候，我们可以尝试使用空格来分割： 我们先利用 fgets 函数来完成对键盘命令的提取，将指定大小字节的缓冲区写入指定的字符串中：
bool GetCommandLine(char* out, int size) {
char* c = fgets(out, size, stdin); // 从键盘读取进入 out 中
if (c == nullptr) return false;
out[strlen(out) - 1] = 0; // 最后结尾把 \n 换成 \0
if (strlen(out) == 0) return false;
return true;
}
这段代码就可以帮我们获取从用户中获得的指令，并且把 \n（换行）变成 \0，这样就的到了一个比较合适的字符串。接下来第二个步骤就是完成对空格的切割，完成命令表的构建：
#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;
}
这里就是完成了对于字符串的切割，并且装入指定的命令表。记住最后要对 g_argc 进行减减，比如我们输入 ls -a 此时，真实的参数只有 2 个 (ls 和 -a)，但是你的计数器 g_argc 却是 3。这是因为那个 ++ 操作是在赋值之后立刻执行的，它不知道刚才赋进去的是 NULL。它把最后的'结束符'也当成了一个参数算进去了。所以最后面还需要减减。
有了上面的基础，我们就可以很简单的理解这个代码：
int Execute() {
pid_t id = fork();
if (id == 0) {
// child
execvp(g_argv[0], g_argv);
exit(1);
}
// 父亲开始等待
pid_t rid = waitpid(id, nullptr, 0);
(void)rid;
return 0;
}
利用这个函数我们就可以完成执行，接下来我们来看一下这个主函数和执行结果：
int main() {
while (true) {
// 1. 先打印出一个类似于 [user @域名 当前 pwd]:
// 需要什么变量：user 和 localhost 还有 pwd，这些都在环境变量表里面
PrintCommand();
// 2. 获取用户命令：
char commandline[COMMAND_SIZE];
GetCommandLine(commandline, sizeof(commandline));
// 3. 分割命令：
CommandParse(commandline);
// 4. 执行：
Execute();
}
return 0;
}
目前看到是没有问题的。
其实这个 shell 还是不正确的，主要问题出在 cd 的命令上面，你可以试试。在这个这里面我们利用上面的知识点完成了对简易的 shell 工具进行了开发。
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