# 手写一个自己的 shell：从字符串解析到内建命令
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> 进程控制系列的收官篇（2026-06-25 ~ 06-26）。
> 前几篇我们攒齐了零件：`fork`、`exec`、`waitpid`、`chdir`……
> 这一篇终于把它们**组装成一台能跑的机器——myshell**。
> 而且过程中踩的两个坑（`strtok` 的静态指针、`chdir` 不更新的环境变量），恰好把前面的底层知识全部串了一遍。

---

## 一、shell 的本质：一个死循环

剥掉所有包装，shell 干的事朴素得惊人：

```
while (1) {
    打印提示符
    读一行输入        ← fgets
    切割成命令 + 参数  ← strtok
    fork + exec 执行   ← fork/execvp/waitpid
    记录退出码
}
```

**输入若干字符串 → 切割 → 执行 → 循环**，如此而已。所谓"命令行解释器"，解释的就是这一串字符串。

---

## 二、两个必须搞清的函数

### 2.1 `fgets()`：会连 `\n` 一起读进来

```c
char buf[1024];
fgets(buf, sizeof(buf), stdin);
```

两个关键行为：

1. **末尾自动补 `\0`**（字符串结束符）；
2. **你在终端敲的 Enter 是 `\n`，它也会被一起读进来**——所以 `buf` 里常常带着一个多余的换行。

> 这就是为什么 shell 命令解析时总要先处理掉行尾的 `\n`。

### 2.2 `strtok()`：快慢指针版本的切割

```c
char *token = strtok(buf, " \t\n");   // 第一次：传源字符串
while (token) {
    argv[i++] = token;
    token = strtok(NULL, " \t\n");    // 后续：传 NULL 继续切
}
```

**机理**：`strtok` 内部用**快慢指针**扫描——快指针识别到分隔符，就把它就地改成 `\0`，于是慢指针到快指针之间就成了一个 token；然后重复。

两个大坑，务必记牢：

| 坑 | 说明 |
|---|---|
| **一次只切一个 token** | 它不会一次把整串切完，每次调用只切出一个 |
| **内部有静态指针** | **Linux glibc 下**：只要传入相同的虚拟地址，它就不会重新开始；<br>**Windows/VS** 的实现：第一次必须传指针，之后**必须传 `NULL`** |

> 为什么会有这种差异？因为 `strtok` 把"上次切到哪儿了"记在一个**静态变量**里。这也是它**线程不安全**的根源（多线程应改用 `strtok_r`）。
>
> 顺便，这也解释了一个"变量作用域"的老问题：**普通变量**（栈帧里）只是"虚拟地址空间里加了个数字 + 页表挂个标记"，作用域结束就销毁；而 **`static` 变量**在 `mm_struct` 的静态区占一个位置，页表标记代表**它与进程同生命周期**——所以 `strtok` 的静态指针能跨调用"记住"位置。

---

## 三、核心执行逻辑：fork + exec + waitpid

```c
pid_t id = fork();
if (id == 0) {
    /* 子进程：去执行命令 */
    execvp(argv[0], argv);
    exit(0);          // ← 关键！exec 失败时兜底，绝不能让"假 shell"继续跑
} else {
    int status;
    waitpid(id, &status, 0);   // 父进程等待并回收
}
```

**`exec` 之后必跟 `exit(0)`** 是新手最容易忘的一步：

> exec 成功后不返回；但**一旦 exec 失败**（例如命令不存在），代码会继续往下执行——那时子进程就会继续跑"后面的逻辑"，甚至把 `-bash` 的行为搞乱。所以必须用 `exit(0)` 立刻结束。

`exec` 的三要素，在我们的参数里一一对应：

| 要素 | 在函数参数里的体现 |
|---|---|
| 1. 搜索路径 | 用带 `p` 的版本（`execvp`）就查 PATH，否则给全路径 |
| 2. 怎么启动 | `l` 形式（逐个列出）或 `v` 形式（`char*[]` 数组），**末尾必须是 NULL** |
| 3. 环境变量表 | 带 `e` 的版本可自己传，否则继承当前 `environ` |

至此，`ls`、`pwd`、`cat` 这些**外部命令**都能跑了。

---

## 四、坑一：`cd` 为什么不能交给子进程？

问题来了：`cd` 用上面的套路实现不了。为什么？

**因为 `cd` 要改的是"当前 shell 自己"的目录**，而我们把命令交给子进程去跑——子进程改了自己的 cwd，父进程（shell）毫不知情，改了等于没改。

由此引出**内建命令（built-in command）** 的概念：

> **必须由 shell 进程自己亲自执行、而不能委托给子进程的命令，就叫内建命令。**

`cd`、`echo $?`、`export` 都是典型的内建命令。

### 4.1 `cd` 的本质：改 PCB 里的 cwd

```c
chdir("/home/user");    // 系统调用，支持绝对路径和相对路径
```

- `chdir` 改的是**调用它的那个进程的 PCB 里的 cwd（当前工作目录）**；
- 子进程的 PCB 是从父进程拷贝来的（含 cwd），所以**子进程里的 `chdir` 影响不到父进程**。

### 4.2 坑二：`chdir` 之后，`printf("%s", getenv("PWD"))` 为什么没变？

这是个经典现象，原因值得记牢：

> **环境变量 `env` 是"用户级数据"，存在进程自己的内存里；操作系统不会因为你调用了 `chdir` 就去主动更新它。**

具体拆开看：

- `getenv()` 虽然是系统调用，但它读的是**内存里的那串字符串**，不是内核的 cwd；
- 换句话说：**`PWD` 这个环境变量与内核的 cwd 是两套东西**，cwd 变了，内存里的 `PWD` 字符串不会自己跟着变。

**解决方式**（两个系统接口配合）：

```c
char cwd[1024];
getcwd(cwd, sizeof(cwd));   // ① 读当前进程 PCB 里的真实 cwd
putenv("PWD=...");          // ② 自己动手把环境变量更新掉
```

| 接口 | 读/写 | 对象 |
|---|---|---|
| `chdir(path)` | 写 | PCB 的 cwd |
| `getcwd(buf, size)` | 读 | PCB 的 cwd |
| `getenv(name)` | 读 | 进程内存里的环境变量字符串 |
| `putenv(str)` | 写 | 进程内存里的环境变量字符串 |

> 一句话对比：**cwd 是内核态的事实，`PWD` 是用户态的副本**——副本要自己同步。

---

## 五、坑三：`echo $?` 怎么实现？

`$?` 要显示**上一条命令的退出码**。要点：

1. **每执行完一条命令就要记录它的退出码**——因为这是**内建命令**，`echo` 必须由一个**全局变量**来保存值；
2. 这个全局变量"**进程不死它不死**"，所以每次循环结束都会被最新一次的结果覆盖 —— 这正是我们要的语义：**只保留最近一条命令的退出码**；
3. 如果命令是通过 `exec` 出的子进程执行的，**父进程必须 `waitpid` 拿到 `status`**，再用位图运算取出退出码：

```c
exit_code = (status >> 8) & 0xFF;   // 退出码
exit_sig  = status & 0x7F;          // 信号编号
```

> 一个闭环细节：`exec` 出来的子进程在自己退出时，退出码先写进它自己的 PCB；`waitpid` 把它取回父进程，父进程再存进全局变量——**`$?` 的信息就这么一层层"接力"过来的**。

---

## 六、变量与作用域：再回望一次底层

写 shell 时对"变量"的体感会突然清晰起来：

| 变量类型 | 内存里的本质 | 生命周期 |
|---|---|---|
| 普通局部变量 | 栈帧里一个虚拟地址 + 页表标记 | 随函数/作用域结束而销毁 |
| `static` 变量 | `mm_struct` 静态区里占一个位置，页表标记"全局" | **与进程同生命周期**——进程结束、PCB 回收，页表才消失 |

也因此，`strtok` 能靠一个静态指针"记住上次切到哪"——**它是进程级的长寿变量**。

**C 语言的字符串约定**也顺带复习：`"p"` 实际是 `'p' + '\0'`，比字符 `'p'` 多一个 `\0`——所有字符串函数（`fgets`、`strtok`、`getcwd`）都建立在这个约定上。

---

## 七、小结：myshell 用到的系统接口清单

| 环节 | 接口 |
|---|---|
| 读取输入 | `fgets` |
| 切割解析 | `strtok` |
| 创建子进程 | `fork` |
| 执行程序 | `execvp` / `execlp` / `execve` |
| 回收子进程 & 拿退出码 | `waitpid` |
| 内建 cd | `chdir` |
| 读/写环境变量 | `getenv` / `putenv` |
| 读当前目录 | `getcwd` |

三条最值钱的收获：

1. **外部命令 = fork + exec + waitpid**；**内建命令 = shell 自己动手**（`cd`、`echo $?`）；
2. **`PWD` 环境变量不会自动跟随 cwd 变化**——内核事实与用户态副本要靠 `getcwd` + `putenv` 手动同步；
3. **`strtok` 靠静态变量记忆状态**，所以一次只切一个 token、并且是线程不安全的。

写到这里，从 `fork` 的第一个 PCB 副本，到终端里那个等待你输入的提示符，整条链路终于完全由自己实现了。

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*本文基于 2026-06-25《自定义 shell1》、2026-06-26《自定义 shell2》两份笔记整理。*


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手写shell实战：从fork/exec/waitpid组装进程控制，到内建命令cd与echo $?实现。详解strtok静态指针陷阱、chdir后PWD不更新问题，附完整代码与系统接口清单，串联进程控制底层知识。

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