个性化的Linux命令解析器的设计与实现

刘 雍

(海南热带海洋学院 计算机科学与技术学院，海南 三亚 572022)

0 引言

在全球超级计算机操作系统TOP500强排行榜中，Linux操作系统的占比在最近几十年一直呈现快速上升趋势，且保持在85%以上[1]。又随着移动互联网的快速发展，Linux内核亦越来越频繁地被移植和使用到嵌入式、物联网、树莓派及Android等智能设备中[2-3]， 不断扩展的Linux Socket网络编程实现信息实时交互、在线存储、实时监控等，自然成了主要开发的方向[4]，因此，对Linux的各种命令的整合和解析也随之成为热门的课题。

以Linux操作系统原理为导向，从内核编程的角度，重新构建Shell命令从读取到执行的各环节，是命令解析器开发研究的核心，而解析和模拟的本质则是一个对多进程控制的过程[5-6]。针对Linux固有命令较多，并且相当多的命令反而极少被使用的现状[7]，本研究给出了一种设计Shell解析命令器通用模型的思路与方法：即把使用频率较高的命令整合在一个帮助界面，并提供记忆历史命令等辅助功能， 以实现更安全、更友好、更个性化的定制服务。随着程序版权意识越来越强[8]，个性化设计亦是本研究的重点之一。

1 个性化命令解析器的功能与工作流程

个性化命令解析器用C语言编程设计，遵照Linux默认的Bash Shell结构特点，处理终端命令从输入、到解析直至执行全过程。在确保能正常调用Linux固有的命令集的前提下[9]，个性化命令解析器实现了一个自定义的常用命令的集合，提供“help”帮助界面，解析命令的功能及用法，且增设了命令记忆功能，其较之传统的单一的字符界面，用户操作方便，交互性较好。

设计个性化命令解析器的思路和步骤主要包括以下三个环节。

第一步，初始化解析器，提供个性化命令行提示格式，获取当前用户信息、主机信息及目录信息等；第二步，切割用户输入命令行，获取命令及参数，第一个字符串为命令字，其余依次是参数序列；第三步，对上一个步骤获取的命令进行解析，包括判断、调用和执行等环节。首先判断命令与当前有限的自定义的命令是否匹配，若匹配则执行“help”分支，创建进程调用自定义函数[10]；否则，判断命令是否为系统内部命令，对肯定的情况进行“内部命令”分支，调用系统默认的命令解析，以保证Linux内部命令正常使用；若对以上两种情况都无法识别的命令，将执行“无法识别的命令”分支，返回系统出错信息。程序设计重点在于自定义命令的函数框架及API调用[11]，个性化命令解析器工作流程如图1所示。

图1 个性化命令解析器工作流程

2 主要算法与分析

2.1 初始化解析器

Linux 中Bash Shell的组成部分从左到右依次是：登陆时的用户名、主机信息和当前目录[12]。其中，使用getpwuid函数获取密码数据库结构指针数据struct passwd*pw，后输出passwd成员变量char*pw_name即为用户登录名；通过函数原型int uname(struct utsname*buf) ，获取主机信息，utsname成员变量nodename即为主机名；获取当前路径使用函数的原型 char*getcwd(char*buf,size_t size)，但是该函数获取的是当前的绝对路径，因而还需要把绝对路径转化为相对路径；提示部分区分#与$，如果函数getuid()的返回值为0，代表是根用户root输出#，否则输出$。以上四个部分用以下语句在一行内输出：

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

假如默认终端的原格式为“[root@hntou user]#(绝对路径为/home/user)”，命令解析器初始化后可显示为“[ly′root@hntou user]#”，意为当前root用户ly，登录主机hntou，所在的相对路径是user的目录，还可以改变终端显示的字体颜色和背景颜色，实现个性化友好显示。

2.2 分离命令与参数

在自定义的终端下，如何识别用户输入执行的命令及其参数是关键步骤之一，这里使用切割的方法。方法是使用strtok函数按空格分离用户输入的字符串数据(回车结束)，分割后的各部分分别赋值给指针数组，第一个字符数组argv[0]即为命令，后面argv[1]、argv[2]等为命令的参数，可用语句printf("listargv[%d]:%s/n",cnt,p)测试用户输入后的分割情形，其结果如下所示。

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

listargv[0]:copy

listargv[1]:./a

listargv[2]:/home/user/bak_a

2.3 解析并执行命令

把上一步结果中的命令(argv[0])及参数列表(argv[1]，argv[2]等)传递给内核，解析并调用对应功能的函数。使用strncmp函数去匹配命令集，首先调用自定义函数，即定制的个性化可执行程序；其次调用Linux固有的内部命令，本质上使用fork()函数创建新的进程，在子进程中调用exec系列函数执行新进程[13]，如使用以下语句：

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

最后，如果以上子进程执行不成功，意为命令argv[0]无法识别，或者参数出错，系统则输出出错信息，让父进程回收子进程资源。

3 个性化命令集

3.1 实现框架

根据图1可知，当前命令解析器提供了至少6个常用命令解析，命令字及相关功能，如表1所示。

表1 自定义命令解析表

如果以上自定义的命令函数全部写在main()函数所在的.c的文件里，代码量将会相当庞大，而且不利于调度和功能扩展，为了程序书写方便，且优化编译，一般做法是书写各命令解析为独立的.c源文件，如mycd.c、list.c、copy.c等，而后把这些.c的文件包含到一个自定义的myshell.h的头文件中，当然.h文件中还包括相当多函数调用的系统头文件[14]，而后编译时，只编译包含main()函数的主函数的一个.c文件。

3.2 实现实例

以更改用户路径这一子功能mycd的命令解析为例，给出各子功能基本通用的程序设计框架。

第一步，编写核心文件mycd.c，主要任务是自定义函数void cd_cmd(char *path)，函数名为cd_cmd，参数是用户输入的路径字符串，即函数功能实现切换目录(旧目录)到用户输入的路径(新目录)中。根据Linux操作系统的原理，要对参数分情况讨论，如符号“～”代表用户家目录，“.”代表当前目录，“..”代表上一级目录，“/”代表根目录。而且还要处理权限的问题，如普通用户无法切换到根用户家目录。在切换目录的实际操作中，主要步骤大约分三步，首先，获取用户信息包括其家目录信息，取结构体数据struct passwd，其中pw_dir成员变量是家目录；其次，获取当前目录，使用函数getcwd()，把获取当前工作目录的绝对路径，赋值给old_path地址变量；最后，切换目录，语句strcopy(old_path,new_path)则先给new_path赋值，再调用chdir(new_path)系统函数切换到新路径中。

第二步，把子功能的核心文件包含到自定义的主要头文件myshell.h中，该实例使用#include “mycd.c”语句，方便主函数调用。

第三步，在包含有myshell.h头文件的main函数中调用以上第一步的cd_cmd函数。

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

{

cd_cmd(argv[1]);//调用函数

continue;

}

同样的方法，如果再新增一个文件删除命令myrm的解析，则只需要再书写一个独立的myrm.c源文件，并在myshell.h的头文件中加上一句 #include “myrm.c”，最后在main函数中调用即可。限于篇幅，其他命令解析就不在此赘述。

3.3 主函数的思路

为突出个性化友好界面，增强交互性，判断(strcmp(arglist[0],"help/0")==0)则给出了帮助help命令，打开运行终端并将一直处于运行之中，所以总体来说，main()函数是一个while(1)的循环结构。依次调用初始化终端函数、命令行字符串切割函数、各子功能主要函数、内置命令函数，调用正确则输出执行结果，否则输出出错信息[15]。主函数中用整型变量cmd_cnt为计数器，以记录历史命令的个数，函数strcpy(history[cmd_cnt],cmd)则实现把所有的命令放置于一个字符串数组中。如在个性化的终端提示符下，如果用户输入是系统不能识别的EXIT命令，则输出出错信息“Command Error!”，且友好提示“You may need ′help′”，根据提示输入“help”命令后，界面下显示的正是自定义的主要命令集，对各命令功能均有描述，具体情形参考如下。

[root@hntou shell_test]# ./shell

[ly′root@hntou shell_test]#EXIT

Command Error!

You may need ′help′

[ly′root@hntou shell_test]#help

mypwd:展示目前工作目录.

mycd:切换指定工作目录.

copy:复制目录或文件到指定位置.

myps:显示进程信息.

myls:显示文件信息.

mytime:显示进程运行时间.

mytree:显示目录结构.

myrm:递归删除文件、文件夹.

mymv:移动、重命名文件、文件夹.

myline:显示文件、文件夹内全部文件的函数.

myhis:显示输入历史.

exit:退出shell.

上述主界面给出常用命令的帮助信息，界面友好，操作方便。个性化命令解析体现在以下四个方面：第一，功能全面，用户可首选自定义的命令，也可以调用Linux固有内部命令，如查看当前目录或文件信息，示例既使用了主界面提供的myls命令，也使用原ls命令验证，确保了Linux内部命令不缺失；第二，增强了命令解析的交互性，如实现文件复制操作调用的是copy命令，比原cp命令更符合用户的理解，且有操作成功的交互性提示；第三，可扩展性较好，可根据用户需要灵活增减相应功能的命令；第四，由于Linux shell默认不会记忆历史命令[16]，所以使用myhis命令方便查看历史命令序列，相关操作参考如下。

[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 结论

本研究遵照Linux用户的使用习惯，构造了对Linux常用命令重新解析的方法和思路，给出了C语言程序设计的模型，实现了Shell命令提示格式个性化显示、命令解析多样化、主界面友好的设计及记忆历史命令等功能，框架严谨，思路清晰，方法灵活。该命令解析器个性化特征突出，易于扩展，在移动互联网设备方面适用性会越来越好。