個性化的Linux命令解析器的設計與實現

劉 雍

(海南熱帶海洋學院 計算機科學與技術學院，海南 三亞 572022)

0 引言

在全球超級計算機操作系統TOP500強排行榜中，Linux操作系統的占比在最近幾十年一直呈現快速上升趨勢，且保持在85%以上[1]。又隨著移動互聯網的快速發展，Linux內核亦越來越頻繁地被移植和使用到嵌入式、物聯網、樹莓派及Android等智能設備中[2-3]， 不斷擴展的Linux Socket網絡編程實現信息實時交互、在線存儲、實時監控等，自然成了主要開發的方向[4]，因此，對Linux的各種命令的整合和解析也隨之成為熱門的課題。

以Linux操作系統原理為導向，從內核編程的角度，重新構建Shell命令從讀取到執行的各環節，是命令解析器開發研究的核心，而解析和模擬的本質則是一個對多進程控制的過程[5-6]。針對Linux固有命令較多，并且相當多的命令反而極少被使用的現狀[7]，本研究給出了一種設計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幫助界面，并提供記憶歷史命令等輔助功能， 以實現更安全、更友好、更個性化的定制服務。隨著程序版權意識越來越強[8]，個性化設計亦是本研究的重點之一。

1 個性化命令解析器的功能與工作流程

個性化命令解析器用C語言編程設計，遵照Linux默認的Bash Shell結構特點，處理終端命令從輸入、到解析直至執行全過程。在確保能正常調用Linux固有的命令集的前提下[9]，個性化命令解析器實現了一個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，且增設了命令記憶功能，其較之傳統的單一的字符界面，用戶操作方便，交互性較好。

設計個性化命令解析器的思路和步驟主要包括以下三個環節。

第一步，初始化解析器，提供個性化命令行提示格式，獲取當前用戶信息、主機信息及目錄信息等；第二步，切割用戶輸入命令行，獲取命令及參數，第一個字符串為命令字，其余依次是參數序列；第三步，對上一個步驟獲取的命令進行解析，包括判斷、調用和執行等環節。首先判斷命令與當前有限的自定義的命令是否匹配，若匹配則執行“help”分支，創建進程調用自定義函數[10]；否則，判斷命令是否為系統內部命令，對肯定的情況進行“內部命令”分支，調用系統默認的命令解析，以保證Linux內部命令正常使用；若對以上兩種情況都無法識別的命令，將執行“無法識別的命令”分支，返回系統出錯信息。程序設計重點在于自定義命令的函數框架及API調用[11]，個性化命令解析器工作流程如圖1所示。

圖1 個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：登陸時的用戶名、主機信息和當前目錄[12]。其中，使用getpwuid函數獲取密碼數據庫結構指針數據struct passwd*pw，后輸出passwd成員變量char*pw_name即為用戶登錄名；通過函數原型int uname(struct utsname*buf) ，獲取主機信息，utsname成員變量nodename即為主機名；獲取當前路徑使用函數的原型 char*getcwd(char*buf,size_t size)，但是該函數獲取的是當前的絕對路徑，因而還需要把絕對路徑轉化為相對路徑；提示部分區分#與$，如果函數getuid()的返回值為0，代表是根用戶root輸出#，否則輸出$。以上四個部分用以下語句在一行內輸出：

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

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

2.2 分離命令與參數

在自定義的終端下，如何識別用戶輸入執行的命令及其參數是關鍵步驟之一，這里使用切割的方法。方法是使用strtok函數按空格分離用戶輸入的字符串數據(回車結束)，分割后的各部分分別賦值給指針數組，第一個字符數組argv[0]即為命令，后面argv[1]、argv[2]等為命令的參數，可用語句printf("listargv[%d]:%s/n",cnt,p)測試用戶輸入后的分割情形，其結果如下所示。

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

listargv[0]:copy

listargv[1]:./a

listargv[2]:/home/user/bak_a

2.3 解析并執行命令

把上一步結果中的命令(argv[0])及參數列表(argv[1]，argv[2]等)傳遞給內核，解析并調用對應功能的函數。使用strncmp函數去匹配命令集，首先調用自定義函數，即定制的個性化可執行程序；其次調用Linux固有的內部命令，本質上使用fork()函數創建新的進程，在子進程中調用exec系列函數執行新進程[13]，如使用以下語句：

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

最后，如果以上子進程執行不成功，意為命令argv[0]無法識別，或者參數出錯，系統則輸出出錯信息，讓父進程回收子進程資源。

3 個性化命令集

3.1 實現框架

根據圖1可知，當前命令解析器提供了至少6個常用命令解析，命令字及相關功能，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全部寫在main()函數所在的.c的文件里，代碼量將會相當龐大，而且不利于調度和功能擴展，為了程序書寫方便，且優化編譯，一般做法是書寫各命令解析為獨立的.c源文件，如mycd.c、list.c、copy.c等，而后把這些.c的文件包含到一個自定義的myshell.h的頭文件中，當然.h文件中還包括相當多函數調用的系統頭文件[14]，而后編譯時，只編譯包含main()函數的主函數的一個.c文件。

3.2 實現實例

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計框架。

第一步，編寫核心文件mycd.c，主要任務是自定義函數void cd_cmd(char *path)，函數名為cd_cmd，參數是用戶輸入的路徑字符串，即函數功能實現切換目錄(舊目錄)到用戶輸入的路徑(新目錄)中。根據Linux操作系統的原理，要對參數分情況討論，如符號“～”代表用戶家目錄，“.”代表當前目錄，“..”代表上一級目錄，“/”代表根目錄。而且還要處理權限的問題，如普通用戶無法切換到根用戶家目錄。在切換目錄的實際操作中，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，取結構體數據struct passwd，其中pw_dir成員變量是家目錄；其次，獲取當前目錄，使用函數getcwd()，把獲取當前工作目錄的絕對路徑，賦值給old_path地址變量；最后，切換目錄，語句strcopy(old_path,new_path)則先給new_path賦值，再調用chdir(new_path)系統函數切換到新路徑中。

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，該實例使用#include “mycd.c”語句，方便主函數調用。

第三步，在包含有myshell.h頭文件的main函數中調用以上第一步的cd_cmd函數。

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

{

cd_cmd(argv[1]);//調用函數

continue;

}

同樣的方法，如果再新增一個文件刪除命令myrm的解析，則只需要再書寫一個獨立的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函數中調用即可。限于篇幅，其他命令解析就不在此贅述。

3.3 主函數的思路

為突出個性化友好界面，增強交互性，判斷(strcmp(arglist[0],"help/0")==0)則給出了幫助help命令，打開運行終端并將一直處于運行之中，所以總體來說，main()函數是一個while(1)的循環結構。依次調用初始化終端函數、命令行字符串切割函數、各子功能主要函數、內置命令函數，調用正確則輸出執行結果，否則輸出出錯信息[15]。主函數中用整型變量cmd_cnt為計數器，以記錄歷史命令的個數，函數strcpy(history[cmd_cnt],cmd)則實現把所有的命令放置于一個字符串數組中。如在個性化的終端提示符下，如果用戶輸入是系統不能識別的EXIT命令，則輸出出錯信息“Command Error!”，且友好提示“You may need ′help′”，根據提示輸入“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:復制目錄或文件到指定位置.

myps:顯示進程信息.

myls:顯示文件信息.

mytime:顯示進程運行時間.

mytree:顯示目錄結構.

myrm:遞歸刪除文件、文件夾.

mymv:移動、重命名文件、文件夾.

myline:顯示文件、文件夾內全部文件的函數.

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。個性化命令解析體現在以下四個方面：第一，功能全面，用戶可首選自定義的命令，也可以調用Linux固有內部命令，如查看當前目錄或文件信息，示例既使用了主界面提供的myls命令，也使用原ls命令驗證，確保了Linux內部命令不缺失；第二，增強了命令解析的交互性，如實現文件復制操作調用的是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，可擴展性較好，可根據用戶需要靈活增減相應功能的命令；第四，由于Linux shell默認不會記憶歷史命令[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 結論

本研究遵照Linux用戶的使用習慣，構造了對Linux常用命令重新解析的方法和思路，給出了C語言程序設計的模型，實現了Shell命令提示格式個性化顯示、命令解析多樣化、主界面友好的設計及記憶歷史命令等功能，框架嚴謹，思路清晰，方法靈活。該命令解析器個性化特征突出，易于擴展，在移動互聯網設備方面適用性會越來越好。