实现自己的 Shell

为什么实现一个自己的 Shell？

你是一个 Windows/Android 用户，你可以直接用图形化桌面直接双击跑一个程序，没压力吧，轻松吧。图形化工具为我们屏蔽了底层进程调用的细节。

或者你是一个 Linux 用户，你喜欢用 Bash 执行 grep 命令来查找文件中的内容，喜欢用 git 来提交代码，喜欢用 ls 来查看目录内容，有时你还会去使用将多个命令一起使用：cat cat.txt | grep "smelly cat" | wc -c。作为一个 Linux Hacker，你理应当了解这些图形化工具背后的原理，利用它实现一些更好玩的事情。

Part 1

假设有以下文件 1.txt 记录着学长们悲惨的成绩：

zzw   环境编程    33
rzj   环境编程    55
lsh   网络编程    33
hzn   网络编程    55
zzy   数据结构    33
zt    计算机组成原理  55
lsh   计算机组成原理  55
zzy   计算机组成原理  55
xjj   数据结构    33

TASK

执行下面这行的命令的结果是什么？你能解释下原因吗？

1. cat 1.txt | awk '{print $1}' | sort | uniq -c | sort -r -n | head -n 5
2. grep "rzj" > 2.txt < 1.txt
3. echo "the answer is 42" > 1.txt

提示（由 AI 生成）

1. 这个命令的结果是列出 1.txt 文件中出现频率最高的前五个名字，并按照频率降序排列。具体解释如下：
   • cat 1.txt：将文件的内容输出到标准输出。
   • awk '{print $1}'：使用 AWK 工具提取每一行的第一个字段（以空格为分隔符），即名字。
   • sort：按照字典序对名字进行排序。
   • uniq -c：统计并去除连续重复的名字，同时输出每个名字出现的次数。
   • sort -r -n：按照数字降序排列名字出现的次数。
   • head -n 5：只输出前五个结果。
2. 这个命令的作用是在 1.txt 文件中查找包含字符串 “rzj” 的行，并将结果输出到 2.txt 文件中。具体解释如下：
   • grep "rzj"：在标准输入中查找包含字符串 “rzj” 的行。
   • > 2.txt：将结果重定向到 2.txt 文件，覆盖原有内容。
3. 这个命令的作用是将字符串 “the answer is 42” 输出到文件 1.txt 中，覆盖原有内容。

Part 2

你的终端 bash 或者 zsh 是如何执行这些命令的呢？ 参考阅读资料调研 fork() exec() pipe() mkfifo() 等进程 API。

TASK

打造一个绝无伦比的 xxx-super-shell (xxx 是你的名字)，它能实现下面这些功能：

• 实现管道（也就是 |）
• 实现输入输出重定向（也就是 < > >>）
  • 要求在管道组合命令的两端实现重定向运算符

    # 需要实现的功能
    cat < 1.txt | grep -C 10 abc | grep -Lefd | tac >> 2.txt
    # 不需要实现的功能
    cat < 1.txt | grep -C 10 abc > test1.txt | test2.txt > grep -L efd | tac >> 2.txt

• 实现后台运行（也就是 &）
• 实现 cd，要求支持能切换到绝对路径、相对路径和支持 cd -
• 屏蔽一些信号（如 ctrl + c 不能终止）
• 界面美观
• 开发过程记录、总结、发布在个人博客中

要求：

• 不得出现内存泄漏、内存越界等错误
• 学会如何使用 gdb 进行调试，使用 valgrind 等工具进行检测

Example

xxx@xxx ~ $ ./xxx-super-shell
xxx@xxx ~ $ echo ABCDEF
xxx@xxx ~ $ echo ABCDEF > ./1.txt
xxx@xxx ~ $ cat 1.txt
xxx@xxx ~ $ ls -t >> 1.txt
xxx@xxx ~ $ ls -a -l | grep abc | wc -l > 2.txt
xxx@xxx ~ $ python < ./1.py | wc -c
xxx@xxx ~ $ mkdir test_dir
xxx@xxx ~/test_dir $ cd test_dir
xxx@xxx ~ $ cd -
xxx@xxx ~/test_dir $ cd -
xxx@xxx ~ $ ./xxx-super-shell # shell 中嵌套 shell
xxx@xxx ~ $ exit
xxx@xxx ~ $ exit

注： 示例请参考 Bash、Zsh 命令

语言要求

语言在 C、C++、Go、Rust 中任选

知识要点

1. 懂得如何使用 Shell
2. 理解 Shell 原理
3. Linux 系统编程：进程控制
4. gdb
5. valgrind

参考资料

• man 手册.
• Michael Kerrisk. Linux/UNIX 系统编程手册[M]. 北京: 人民邮电出版社.
• W. Richard Stevens. Stephen. UNIX 环境高级编程[M]. 第 3 版. 戚正伟, 译. 北京: 人民邮电出版社.

开源

• bash 
• zsh 
• fish-shell