個(gè)性化的Linux命令解析器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

劉 雍

(海南熱帶海洋學(xué)院 計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，海南 三亞 572022)

0 引言

在全球超級(jí)計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)TOP500強(qiáng)排行榜中，Linux操作系統(tǒng)的占比在最近幾十年一直呈現(xiàn)快速上升趨勢(shì)，且保持在85%以上[1]。又隨著移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展，Linux內(nèi)核亦越來(lái)越頻繁地被移植和使用到嵌入式、物聯(lián)網(wǎng)、樹莓派及Android等智能設(shè)備中[2-3]， 不斷擴(kuò)展的Linux Socket網(wǎng)絡(luò)編程實(shí)現(xiàn)信息實(shí)時(shí)交互、在線存儲(chǔ)、實(shí)時(shí)監(jiān)控等，自然成了主要開發(fā)的方向[4]，因此，對(duì)Linux的各種命令的整合和解析也隨之成為熱門的課題。

以Linux操作系統(tǒng)原理為導(dǎo)向，從內(nèi)核編程的角度，重新構(gòu)建Shell命令從讀取到執(zhí)行的各環(huán)節(jié)，是命令解析器開發(fā)研究的核心，而解析和模擬的本質(zhì)則是一個(gè)對(duì)多進(jìn)程控制的過(guò)程[5-6]。針對(duì)Linux固有命令較多，并且相當(dāng)多的命令反而極少被使用的現(xiàn)狀[7]，本研究給出了一種設(shè)計(jì)Shell解析命令器通用模型的思路與方法：即把使用頻率較高的命令整合在一個(gè)幫助界面，并提供記憶歷史命令等輔助功能， 以實(shí)現(xiàn)更安全、更友好、更個(gè)性化的定制服務(wù)。隨著程序版權(quán)意識(shí)越來(lái)越強(qiáng)[8]，個(gè)性化設(shè)計(jì)亦是本研究的重點(diǎn)之一。

1 個(gè)性化命令解析器的功能與工作流程

個(gè)性化命令解析器用C語(yǔ)言編程設(shè)計(jì)，遵照Linux默認(rèn)的Bash Shell結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，處理終端命令從輸入、到解析直至執(zhí)行全過(guò)程。在確保能正常調(diào)用Linux固有的命令集的前提下[9]，個(gè)性化命令解析器實(shí)現(xiàn)了一個(gè)自定義的常用命令的集合，提供“help”幫助界面，解析命令的功能及用法，且增設(shè)了命令記憶功能，其較之傳統(tǒng)的單一的字符界面，用戶操作方便，交互性較好。

設(shè)計(jì)個(gè)性化命令解析器的思路和步驟主要包括以下三個(gè)環(huán)節(jié)。

第一步，初始化解析器，提供個(gè)性化命令行提示格式，獲取當(dāng)前用戶信息、主機(jī)信息及目錄信息等；第二步，切割用戶輸入命令行，獲取命令及參數(shù)，第一個(gè)字符串為命令字，其余依次是參數(shù)序列；第三步，對(duì)上一個(gè)步驟獲取的命令進(jìn)行解析，包括判斷、調(diào)用和執(zhí)行等環(huán)節(jié)。首先判斷命令與當(dāng)前有限的自定義的命令是否匹配，若匹配則執(zhí)行“help”分支，創(chuàng)建進(jìn)程調(diào)用自定義函數(shù)[10]；否則，判斷命令是否為系統(tǒng)內(nèi)部命令，對(duì)肯定的情況進(jìn)行“內(nèi)部命令”分支，調(diào)用系統(tǒng)默認(rèn)的命令解析，以保證Linux內(nèi)部命令正常使用；若對(duì)以上兩種情況都無(wú)法識(shí)別的命令，將執(zhí)行“無(wú)法識(shí)別的命令”分支，返回系統(tǒng)出錯(cuò)信息。程序設(shè)計(jì)重點(diǎn)在于自定義命令的函數(shù)框架及API調(diào)用[11]，個(gè)性化命令解析器工作流程如圖1所示。

圖1 個(gè)性化命令解析器工作流程

2 主要算法與分析

2.1 初始化解析器

Linux 中Bash Shell的組成部分從左到右依次是：登陸時(shí)的用戶名、主機(jī)信息和當(dāng)前目錄[12]。其中，使用getpwuid函數(shù)獲取密碼數(shù)據(jù)庫(kù)結(jié)構(gòu)指針數(shù)據(jù)struct passwd*pw，后輸出passwd成員變量char*pw_name即為用戶登錄名；通過(guò)函數(shù)原型int uname(struct utsname*buf) ，獲取主機(jī)信息，utsname成員變量nodename即為主機(jī)名；獲取當(dāng)前路徑使用函數(shù)的原型 char*getcwd(char*buf,size_t size)，但是該函數(shù)獲取的是當(dāng)前的絕對(duì)路徑，因而還需要把絕對(duì)路徑轉(zhuǎn)化為相對(duì)路徑；提示部分區(qū)分#與$，如果函數(shù)getuid()的返回值為0，代表是根用戶root輸出#，否則輸出$。以上四個(gè)部分用以下語(yǔ)句在一行內(nèi)輸出：

printf("[ly′%s@%s %s]%c",pw->pw_name,ptr,p,flag);

假如默認(rèn)終端的原格式為“[root@hntou user]#(絕對(duì)路徑為/home/user)”，命令解析器初始化后可顯示為“[ly′root@hntou user]#”，意為當(dāng)前root用戶ly，登錄主機(jī)hntou，所在的相對(duì)路徑是user的目錄，還可以改變終端顯示的字體顏色和背景顏色，實(shí)現(xiàn)個(gè)性化友好顯示。

2.2 分離命令與參數(shù)

在自定義的終端下，如何識(shí)別用戶輸入執(zhí)行的命令及其參數(shù)是關(guān)鍵步驟之一，這里使用切割的方法。方法是使用strtok函數(shù)按空格分離用戶輸入的字符串?dāng)?shù)據(jù)(回車結(jié)束)，分割后的各部分分別賦值給指針數(shù)組，第一個(gè)字符數(shù)組argv[0]即為命令，后面argv[1]、argv[2]等為命令的參數(shù)，可用語(yǔ)句printf("listargv[%d]:%s/n",cnt,p)測(cè)試用戶輸入后的分割情形，其結(jié)果如下所示。

Your cmd is:copy ./a /home/user/bak_a

listargv[0]:copy

listargv[1]:./a

listargv[2]:/home/user/bak_a

2.3 解析并執(zhí)行命令

把上一步結(jié)果中的命令(argv[0])及參數(shù)列表(argv[1]，argv[2]等)傳遞給內(nèi)核，解析并調(diào)用對(duì)應(yīng)功能的函數(shù)。使用strncmp函數(shù)去匹配命令集，首先調(diào)用自定義函數(shù)，即定制的個(gè)性化可執(zhí)行程序；其次調(diào)用Linux固有的內(nèi)部命令，本質(zhì)上使用fork()函數(shù)創(chuàng)建新的進(jìn)程，在子進(jìn)程中調(diào)用exec系列函數(shù)執(zhí)行新進(jìn)程[13]，如使用以下語(yǔ)句：

execl("/bin/sh","sh","-c",argv[0],NULL);

最后，如果以上子進(jìn)程執(zhí)行不成功，意為命令argv[0]無(wú)法識(shí)別，或者參數(shù)出錯(cuò)，系統(tǒng)則輸出出錯(cuò)信息，讓父進(jìn)程回收子進(jìn)程資源。

3 個(gè)性化命令集

3.1 實(shí)現(xiàn)框架

根據(jù)圖1可知，當(dāng)前命令解析器提供了至少6個(gè)常用命令解析，命令字及相關(guān)功能，如表1所示。

表1 自定義命令解析表

如果以上自定義的命令函數(shù)全部寫在main()函數(shù)所在的.c的文件里，代碼量將會(huì)相當(dāng)龐大，而且不利于調(diào)度和功能擴(kuò)展，為了程序書寫方便，且優(yōu)化編譯，一般做法是書寫各命令解析為獨(dú)立的.c源文件，如mycd.c、list.c、copy.c等，而后把這些.c的文件包含到一個(gè)自定義的myshell.h的頭文件中，當(dāng)然.h文件中還包括相當(dāng)多函數(shù)調(diào)用的系統(tǒng)頭文件[14]，而后編譯時(shí)，只編譯包含main()函數(shù)的主函數(shù)的一個(gè).c文件。

3.2 實(shí)現(xiàn)實(shí)例

以更改用戶路徑這一子功能mycd的命令解析為例，給出各子功能基本通用的程序設(shè)計(jì)框架。

第一步，編寫核心文件mycd.c，主要任務(wù)是自定義函數(shù)void cd_cmd(char *path)，函數(shù)名為cd_cmd，參數(shù)是用戶輸入的路徑字符串，即函數(shù)功能實(shí)現(xiàn)切換目錄(舊目錄)到用戶輸入的路徑(新目錄)中。根據(jù)Linux操作系統(tǒng)的原理，要對(duì)參數(shù)分情況討論，如符號(hào)“～”代表用戶家目錄，“.”代表當(dāng)前目錄，“..”代表上一級(jí)目錄，“/”代表根目錄。而且還要處理權(quán)限的問(wèn)題，如普通用戶無(wú)法切換到根用戶家目錄。在切換目錄的實(shí)際操作中，主要步驟大約分三步，首先，獲取用戶信息包括其家目錄信息，取結(jié)構(gòu)體數(shù)據(jù)struct passwd，其中pw_dir成員變量是家目錄；其次，獲取當(dāng)前目錄，使用函數(shù)getcwd()，把獲取當(dāng)前工作目錄的絕對(duì)路徑，賦值給old_path地址變量；最后，切換目錄，語(yǔ)句strcopy(old_path,new_path)則先給new_path賦值，再調(diào)用chdir(new_path)系統(tǒng)函數(shù)切換到新路徑中。

第二步，把子功能的核心文件包含到自定義的主要頭文件myshell.h中，該實(shí)例使用#include “mycd.c”語(yǔ)句，方便主函數(shù)調(diào)用。

第三步，在包含有myshell.h頭文件的main函數(shù)中調(diào)用以上第一步的cd_cmd函數(shù)。

if(strncmp(argv[0],"mycd",4)==0) //如果argv[0]所代表的命令是mycd關(guān)鍵字

{

cd_cmd(argv[1]);//調(diào)用函數(shù)

continue;

}

同樣的方法，如果再新增一個(gè)文件刪除命令myrm的解析，則只需要再書寫一個(gè)獨(dú)立的myrm.c源文件，并在myshell.h的頭文件中加上一句 #include “myrm.c”，最后在main函數(shù)中調(diào)用即可。限于篇幅，其他命令解析就不在此贅述。

3.3 主函數(shù)的思路

為突出個(gè)性化友好界面，增強(qiáng)交互性，判斷(strcmp(arglist[0],"help/0")==0)則給出了幫助help命令，打開運(yùn)行終端并將一直處于運(yùn)行之中，所以總體來(lái)說(shuō)，main()函數(shù)是一個(gè)while(1)的循環(huán)結(jié)構(gòu)。依次調(diào)用初始化終端函數(shù)、命令行字符串切割函數(shù)、各子功能主要函數(shù)、內(nèi)置命令函數(shù)，調(diào)用正確則輸出執(zhí)行結(jié)果，否則輸出出錯(cuò)信息[15]。主函數(shù)中用整型變量cmd_cnt為計(jì)數(shù)器，以記錄歷史命令的個(gè)數(shù)，函數(shù)strcpy(history[cmd_cnt],cmd)則實(shí)現(xiàn)把所有的命令放置于一個(gè)字符串?dāng)?shù)組中。如在個(gè)性化的終端提示符下，如果用戶輸入是系統(tǒng)不能識(shí)別的EXIT命令，則輸出出錯(cuò)信息“Command Error!”，且友好提示“You may need ′help′”，根據(jù)提示輸入“help”命令后，界面下顯示的正是自定義的主要命令集，對(duì)各命令功能均有描述，具體情形參考如下。

[root@hntou shell_test]# ./shell

[ly′root@hntou shell_test]#EXIT

Command Error!

You may need ′help′

[ly′root@hntou shell_test]#help

mypwd:展示目前工作目錄.

mycd:切換指定工作目錄.

copy:復(fù)制目錄或文件到指定位置.

myps:顯示進(jìn)程信息.

myls:顯示文件信息.

mytime:顯示進(jìn)程運(yùn)行時(shí)間.

mytree:顯示目錄結(jié)構(gòu).

myrm:遞歸刪除文件、文件夾.

mymv:移動(dòng)、重命名文件、文件夾.

myline:顯示文件、文件夾內(nèi)全部文件的函數(shù).

myhis:顯示輸入歷史.

exit:退出shell.

上述主界面給出常用命令的幫助信息，界面友好，操作方便。個(gè)性化命令解析體現(xiàn)在以下四個(gè)方面：第一，功能全面，用戶可首選自定義的命令，也可以調(diào)用Linux固有內(nèi)部命令，如查看當(dāng)前目錄或文件信息，示例既使用了主界面提供的myls命令，也使用原ls命令驗(yàn)證，確保了Linux內(nèi)部命令不缺失；第二，增強(qiáng)了命令解析的交互性，如實(shí)現(xiàn)文件復(fù)制操作調(diào)用的是copy命令，比原cp命令更符合用戶的理解，且有操作成功的交互性提示；第三，可擴(kuò)展性較好，可根據(jù)用戶需要靈活增減相應(yīng)功能的命令；第四，由于Linux shell默認(rèn)不會(huì)記憶歷史命令[16]，所以使用myhis命令方便查看歷史命令序列，相關(guān)操作參考如下。

[ly′root@hntou shell_test]#myls-l ./

-rwxr-xr-x 1 root root 53016 Jan 26 21:37 shell

-rw-r--r-- 1 root root 114 Jan 26 21:37 file

[ly′root@hntou shell_test]#copy file bak_file

Copy Finished!

[ly′root@hntou shell_test]#ls

bak_file file shell

[ly′root@hntou shell_test]#myhis

**Print Input History until now:**

EXIT

help

list-l ./

copy file bak_file

ls

myhis

[ly′root@hntou shell_test]#exit

Bye～

[root@hntou shell_test]#

4 結(jié)論

本研究遵照Linux用戶的使用習(xí)慣，構(gòu)造了對(duì)Linux常用命令重新解析的方法和思路，給出了C語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)的模型，實(shí)現(xiàn)了Shell命令提示格式個(gè)性化顯示、命令解析多樣化、主界面友好的設(shè)計(jì)及記憶歷史命令等功能，框架嚴(yán)謹(jǐn)，思路清晰，方法靈活。該命令解析器個(gè)性化特征突出，易于擴(kuò)展，在移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)設(shè)備方面適用性會(huì)越來(lái)越好。