Linux后台开发系列之「05.解析 Linux 命令机制」

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为何要了解 Linux 命令机制？

如果你每天都在使用 Linux 命令，那么你了解命令的基本原理吗？你学习 Linux 命令的时候，老师告诉你这些命令在哪里了么？系统是如何调用这些命令的呢？如何写一个命令自己调用呢？如果你有兴趣，请看看我的 6 个见解。

1. 解析 ls 命令

如果你经常使用 Linux，相信你对 ls 这个命令不会陌生，这次就借这个命令来分析 Linux 命令的实现和调用机制。

2. ls 命令在哪里？

在终端键入下面的命令来查找 ls 的位置：

whereis ls# 结果
ls: /bin/ls /usr/share/man/man1/ls.1.gz

可以看到有一条 /bin/ls，说明这个命令在这个目录下，我们 ls 一下 /bin：

ls /bin
# 结果：包含绿色的可执行文件

这些绿色的可执行文件其实有许多就是我们经常使用的命令，现在知道命令在哪里了吧。

3. ls 等命令是谁写得？

Linux 发展到现在，它上面有很多很常用的命令，这些命令是一些大牛用 C 语言写的，而且都是开源的，为了方便安装，业界将这些命令整理成一个软件包可供用户使用： Coreutils，该软件包里面就是一些比较常用的命令的源代码，后面我会带着大家一起编译它。

4. 系统如何查找这些命令？

我们在 Windows 下有环境变量 Path 这个名词，在 Linux 下也有这个概念。环境变量的作用其实可以用一句话概括：告诉操作系统你要执行的程序在哪里，我们先看看 Linux 下的环境变量配置文件：

vim /etc/environment# 机器不同结果可能有些不同
PATH="/usr/local/sbin:/usr/local/bin:/usr/sbin:/usr/bin:/sbin:/bin"

可以看到，环境变量其实就是一些配置的目录，操作系统在执行你在终端键入的程序时，会去这些配置的目录下查找要执行的程序，然后执行。我们可以看到 /bin 目录就在系统环境变量中，而 ls 这个程序就在 /bin 目录下，所以我们在终端键入 ls 可以出效果。因此，想要配置你自己的环境变量，更改这个文件即可，注意需要按照格式来添加目录。

5. 命令是如何执行的？

要解释这个概念，我们需要先了解下什么是 Linux 的 Shell 解释器？

Shell 的概念源自 UNIX 的命令解释器，它解释用户输入的命令，然后调用内核相应的类库来执行相应的功能。

常用的 Linux 下的解释器有，bash，sh，csh，ksh，在 ubuntu 下使用的是 bash，这里就以 bash 来作为解释器来介绍。

bash 其实也是一个程序，那么它在哪里呢？键入下面的命令：

whereis bash# 机器不同结果可能有些不同
bash: /bin/bash /etc/bash.bashrc /usr/share/man/man1/bash.1.gz

可见，bash 也在 /bin 目录下。

了解了什么是 Shell 解释器， ls 命令的执行原理也就差不多清楚了：当我们在终端键入 ls 命令，系统会去当前环境变量下查找 ls 这个命令对应的可执行文件 /bin/ls，然后由当前终端对应的解释器 bash 来解析 ls 这个命令，并由 bash 解释器调用内核功能来列出当前目录下的内容。

后面也会带着大家一起手动编译 bash 解释器。

6. 写一个 myls 命令并自己调用

总是用别人写的东西多没挑战性，来试试自己写一个 myls 命令然后自己使用怎么样？输入下面的 myls.c 代码，功能如何实现的不是这里的重点，真正的 ls.c 的代码可没有这么简单，这里重点是知道这个过程。

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <dirent.h>  int main(int argc, char *argv[]) {  DIR *pd;      struct dirent *pdir;  if(argc != 2) {  printf("Usage: ls dir\n");  exit(1);  }  if(NULL == (pd = opendir(argv[1]))){  printf("Can't open %s\n", argv[1]);  exit(1);  }  while((pdir = readdir(pd)) != NULL)  printf("%s\n", pdir->d_name);  closedir(pd);  return 0;
}

编译：

gcc myls.c -o myls

测试：

# 列出当前目录的内容
./myls ./

安装到系统中，其实就是拷贝到系统环境变量的目录中去：

sudo cp myls.c /bin/myls

拷贝完成后，我们在终端直接执行 myls ./：

myls ./
# 列出了当前目录下的内容

如果你成功使用 myls 列出当前目录的内容，那么再好好回顾下整个过程，你应该已经有些领悟了吧，代码不是重点，重点是要理解这个过程。

学会类比

通过对 ls 命令调用机制的学习，相信你已经了解的差不过了，通过类比，你也应该清楚了 Linux 下的命令的实现机制，但是为了更进一步让你了解这些原理，作为最佳实践，下面就带你一起来手动编译自己的 bash 和 ls 这些工具。

编译 Bash 和 Coreutils

话说回来，既然这些工具都是大牛写出来的程序，那么是程序就应该能够编译安装啊，如何在系统中编译 bash 呢（但不安装）？下面就来告诉你方法。

我们不在自己的系统中再次安装 bash 等工具了，系统默认已经安装了。

手动源码编译的方法在我的这篇如何在 Linux 上安装普通应用程序？文章中也有介绍，这里我们再来实践复习一遍。

1. 下载 Bash 和 Coreutils

在这之前，我们再来回顾下 Linux Shell 的命令机制，它主要由下面两部分组成：

Coreutils 提供具体的命令功能的实现，就是一个个的 C 语言写的工具，例如：ls.c，你自己也可以写这些工具。
Bash 等命令解释器来解释具体的命令，例如：ls 命令，由 Bash 来解析 Coreutils 提供的 ls.c 的功能，解析过程其实就是调用 Linux 系统底层类库来在屏幕上列出当前目录下的内容。

所以，我们必须要有这两部分才可以正常访问内核提供的功能。我们到 GNU 的官网去下载这两个软件包：下载 Bash，下载 Coreutils，点击右侧的 Download 链接即可下载软件包。

大家一定要善于利用 GNU 的官网：

www.gnu.org

如果你需要编译源码来安装程序，在这上面可以找到几乎所有的软件包，而且全部免费，这就是开源的力量！

2. 配置，编译

两个软件包的配置编译过程几乎都是相同的。

解压 Bash

tar -xzvf bash-4.4.tar.gz

配置 Bash

cd bash-4.4/
./configure

编译 Bash

make

测试 Bash

./bash -version# 出现版本信息，说明编译成功
GNU bash, version 4.4.0(1)-release (x86_64-unknown-linux-gnu)
Copyright (C) 2016 Free Software Foundation, Inc.
License GPLv3+: GNU GPL version 3 or later <http://gnu.org/licenses/gpl.html>This is free software; you are free to change and redistribute it.
There is NO WARRANTY, to the extent permitted by law.

编译 Coreutils 的步骤只有第一步解压的方法不同，其他都是相同的，解压 Coreutils 使用下面的命令：

xz -d coreutils-8.26.tar.xz
tar -xvf coreutils-8.26.tar

编译完 Coreutils 后，可以看看 src 目录下的内容：

cd coreutils-8.26/
ls src/

可以看到 /src 下都是常用命令的 C 语言实现文件和编译出来的可执行文件，例如：ls.c，ls。知道了这个原理，我们以后再使用命令的时候就知道它们的来源了，他们其实也是程序罢了，只不过经常使用就慢慢变成了标准，等你变成了大牛，你也可以制定标准。

3. 如何安装

你如果只是为了了解原理，那么不建议你安装，你只需要成功编译，并了解安装的方法即可，如果你确实需要升级系统的 bash 和 Coreutils 的话，你可以安装。

安装方法有手动安装和自动安装 2 种，先介绍手动安装：

手动安装 bash ，只需要将 bash 可执行文件拷贝到系统目录下：

sudo cp bash-4.4/bash /bin/

手动安装 Coreutils，只需要将 /coreutils-8.26/src 下的可执行文件拷贝到系统目录下（这里以安装 ls 为例）：

sudo cp coreutils-8.26/src/ls /bin/

如何自动安装：

直接在 2 个目录中键入下面的命令，自动安装其实也只是帮你拷贝而已：

sudo make install

在 Linux 下安装软件的过程其实就是拷贝程序和库的过程。

这样一来，我们就成功编译了 bash 和 Coreutils 了，有没有感觉现在再使用 ls 这些命令，心里比以前有底了。