【Linux】1w详解如何实现一个简单的shell

 目录 

实现思路

1. 交互 获取命令行

2. 子串分割 解析命令行

3. 指令的判断 内建命令

4. 普通命令的执行

 补充：vim 文本替换

整体代码

重点思考

1.getenv和putenv是什么意思

2.代码extern char **environ;

3.内建命令是什么

4.lastcode = WEXITSTATUS(status);

5.execvp(_argv[0], _argv);的调用

6._argc&_argv

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实现思路

1. 交互 获取命令行

显示提示符和获取用户输入

Shell本质是一个死循环，不断地显示提示符和获取用户输入。

memset 函数

memset 函数用于将一段内存区域设置为指定的值。它的原型是：

void *memset(void *s, int c, size_t n);

参数说明：

s：指向要填充的内存区域的指针。

c：要设置的值（以无符号字符形式传递，但实际存储在内存中的每个字节的值是该无符号字符的值）。

n：要设置的字节数。

示例用法：

char command_line[NUM];memset(command_line, '\0', sizeof(command_line) * sizeof(char));

这里的代码表示将 command_line 数组的每个字节都设置为 \0（空字符），确保初始化整个数组。

fgets 函数

fgets 函数用于从指定的输入流读取字符串。它的原型是：

char *fgets(char *s, int n, FILE *stream);

参数说明：

s：指向存储读取数据的字符数组的指针。

n：要读取的最大字符数（包括终止字符 \0）。

stream：输入流，通常是 stdin 用于标准输入。

示例用法：

fgets(command_line, NUM, stdin);

这行代码表示从标准输入读取最多 NUM-1 个字符（预留一个字符用于终止字符 \0）到 command_line 数组中。

综合示例

结合起来，代码片段如下所示：

char command_line[NUM];memset(command_line, '\0', sizeof(command_line) * sizeof(char));fgets(command_line, NUM, stdin);

这段代码的作用是：

使用 memset 函数将 command_line 数组的所有字节都设置为 \0，即初始化数组。

使用 fgets 函数从标准输入读取最多 NUM-1 个字符并存储在 command_line 数组中。

这样处理后，command_line 数组会包含从输入读取的字符串，并且如果字符串的长度小于 NUM，数组中剩余的字节会保持为 \0。

以下是实现这两个步骤的代码：

#include <stdio.h>#include <string.h>#include <stdlib.h>#include <unistd.h>#define NUM 1024char command_line[NUM]; // 用来接收命令行内容int main(void) {    while (1) {        /* Step1：显示提示符 */        printf("[用户@主机 当前目录] # ");        fflush(stdout);        /* Step2：获取用户输入 */        memset(command_line, '\0', sizeof(command_line));        fgets(command_line, NUM, stdin);  // 从键盘获取输入        command_line[strlen(command_line) - 1] = '\0'; // 消除 '\n'        printf("%s\n", command_line);    }}

通过上述代码，我们可以实现提示用户输入，并获取用户输入。

注意点：

执行发现有空行怎么办

 我们利用 fgets 函数从键盘上获取，标准输入 stdin，获取到 C 风格的字符串，

注意默认会添加 \0 ，我们先把获取到的结果 command_line 打印出来看看：

 因为 command_line 里有一个 \n，我们把它替换成 \0 即可：

 command_line[strlen(command_line) - 1] = '\0';  // 消除 '\0'

2. 子串分割 解析命令行

获取用户输入后，我们需要将接收到的字符串拆分为命令及其参数。

将接收到的字符串拆开

通过 strtok 函数，我们可以将一个字符串按照特定的分隔符打散，依次返回子串：

#include <stdio.h>#include <string.h>#include <stdlib.h>#include <unistd.h>#define NUM 1024#define SEP " "#define SIZE 128char command_line[NUM];char* command_args[SIZE];int main(void) {    while (1) {        /* 显示提示符和获取用户输入 */        printf("[用户@主机 当前目录] # ");        fflush(stdout);        memset(command_line, '\0', sizeof(command_line));        fgets(command_line, NUM, stdin);        command_line[strlen(command_line) - 1] = '\0';        /* 将接收到的字符串拆开 */        command_args[0] = strtok(command_line, SEP);        int idx = 1;        while ((command_args[idx++] = strtok(NULL, SEP)));        /* 打印拆分结果 */        for (int i = 0; i < idx - 1; i++) {            printf("%d : %s\n", i, command_args[i]);        }    }}

通过这段代码，我们可以将输入的命令行字符串拆分成多个子字符串，并打印出来。

strtok 函数的原型为：

char *strtok(char *str, const char *delim);

参数说明：

str：要进行分割的字符串，第一次调用时传入要分割的字符串，后续调用时传入 NULL 即可。

delim：分隔符，用于指定分割字符串的字符。

示例用法

在代码中，使用了 strtok 函数将 command_line 字符串按照 SEP 分隔符进行切割，并将每个子字符串存储在 command_args 数组中。

command_args[0] = strtok(command_line, SEP);int idx = 1;

这里的代码首先将 command_line 字符串按照 SEP 分隔符切割成子字符串，并将第一个子字符串的指针存储在 command_args[0] 中。然后，

利用循环逐个获取剩余的子字符串，并将它们存储在 command_args 数组中（使用 idx 来索引）。

3. 指令的判断 内建命令

为了实现一些特定功能，如路径切换，我们需要在Shell中实现内建命令。

内建命令：实现路径切换

#include <stdio.h>#include <string.h>#include <stdlib.h>#include <unistd.h>#define NUM 1024#define SEP " "#define SIZE 128char command_line[NUM];char* command_args[SIZE];/* Shell 内置函数: 路径跳转 */int ChangeDir(const char* new_path) {    return chdir(new_path);}int main(void) {    while (1) {        /* 显示提示符和获取用户输入 */        printf("[用户@主机 当前目录] # ");        fflush(stdout);        memset(command_line, '\0', sizeof(command_line));        fgets(command_line, NUM, stdin);        command_line[strlen(command_line) - 1] = '\0';        /* 将接收到的字符串拆开 */        command_args[0] = strtok(command_line, SEP);        int idx = 1;        while ((command_args[idx++] = strtok(NULL, SEP)));        /* 判断并执行内建命令 */        if (strcmp(command_args[0], "cd") == 0 && command_args[1] != NULL) {            ChangeDir(command_args[1]);            continue;        }        /* 执行普通命令 */    }}

这段代码通过判断输入的命令是否为 cd 来执行路径切换，而无需创建子进程。

getcwd用于获取当前工作目录（当前目录）的路径。该函数的声明如下：

char *getcwd(char *buf, size_t size);

函数参数说明：

buf：指向存储当前工作目录路径的缓冲区size：缓冲区的大小

函数返回值： 如果函数调用成功，则返回指向存储当前工作目录路径的缓冲区的指针；如果函数调用失败，则返回NULL。

通过调用getcwd函数，可以获取当前程序所在的工作目录路径。

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chdir用于改变当前工作目录（当前目录）的路径。该函数的声明如下：

int chdir(const char *path);

函数参数说明：

path：要设置为当前工作目录的路径

函数返回值： 如果函数调用成功，则返回0；如果函数调用失败，则返回-1，并设置errno来指示错误的类型。

4. 普通命令的执行

最后，我们实现普通命令的执行，包括创建子进程并执行用户输入的命令。

创建进程 & 程序替换

#include <stdio.h>#include <string.h>#include <stdlib.h>#include <unistd.h>#include <sys/wait.h>#include <sys/types.h> #define NUM 1024#define SEP " "#define SIZE 128 char command_line[NUM];char* command_args[SIZE]; int main(void){    while (1) {        /* Step1：显示提示符 */        printf("[lvy@我的主机名 当前目录] # ");        fflush(stdout);         /* Step2：获取用户输入 */        memset (            command_line,             '\0',             sizeof(command_line) * sizeof(char)        );        fgets(command_line, NUM, stdin);  /* 从键盘获取，标准输入，stdin             获取到 C 风格的字符串，默认添加 '\0' */        command_line[strlen(command_line) - 1] = '\0';  // 消除 '\0'         /* Step3: 将接收到的字符串拆开 - 字符串切分 */        command_args[0] = strtok(command_line, SEP);        int idx = 1;                /* 这里的 = 是故意这么写的，因为 strtok 截取成功返回字符串起始地址            截取失败，返回 NULL */        while (command_args[idx++] = strtok(NULL, SEP));         //我们来测试一下看看         // for (int i = 0; i < idx; i++) {        //     printf("%d : %s\n", i, command_args[i]);        // }         // printf("%s\n", command_line);         /* Step4. TODO */        /* Step5. 创建进程，执行 */        pid_t id = fork();        if (id == 0) {            /* child */            /* Step6: 程序替换 */            execvp (                command_args[0],  // 保存的是我们要执行的程序名字                command_args            );             exit(1);   // 只要执行到这里，子进程一定是替换失败了，直接退出。        }         /* Father */        int status = 0;        pid_t ret = waitpid(id, &status, 0);        if (ret > 0) {   // 等待成功            printf("等待成功！sig: %d, code: %d\n", status&0x7F, (status>>8)&0xFF);        }    } // end while }

通过上述代码，我们可以创建一个进程来执行用户输入的命令，并等待子进程结束。

给命令带颜色

为了增强Shell的用户体验，可以给一些常用命令添加颜色，例如 ls 命令：

/* 将接收到的字符串拆开 */command_args[0] = strtok(command_line, SEP);int idx = 1;while ((command_args[idx++] = strtok(NULL, SEP)));/* 给 ls 命令添加颜色 */if (strcmp(command_args[0], "ls") == 0) {    command_args[idx++] = (char*)"--color=auto";}

以上实现了一个简单的Shell，具备了基本的提示符显示、用户输入获取、命令解析、内建命令和普通命令的执行功能。

内建命令 环境变量

/* Shell 内置函数: 路径跳转 */int ChangeDir(const char* new_path) {    chdir(new_path);     return 0;  // 调用成功} int main(void) {    ...        /* Step4. TODO 编写后面的逻辑，内建命令 */        if (strcmp(command_args[0], "cd") == 0 && command_args[1] != NULL) {            ChangeDir(command_args[1]);  // 让调用方进行路径切换            continue;        }    ...}

保存环境变量的字符串，不能是易变的，所以 strcpy mycommand，实现与argv的分离

 补充：vim 文本替换

如何快速将mycmd换为myshell呢

通过如下操作

: %s/mycmd/myshell/g

就可以啦

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细节设置的思考，在最后一部分，让我们先来看一下整体

整体代码

#include <stdio.h>#include <stdlib.h>#include <string.h>#include <assert.h>#include <unistd.h>//创建子进程#include <stdlib.h>//这些文件都是什么意思#include <sys/types.h>#include <sys/wait.h>#define LEFT "["#define RIGHT "]"#define LABLE "#"#define DELIM " \t"#define LINE_SIZE 1024#define ARGC_SIZE 32#define EXIT_CODE 44int lastcode = 0;int quit = 0;extern char **environ;char commandline[LINE_SIZE];char *argv[ARGC_SIZE];//存储切割之后的命令行char pwd[LINE_SIZE];// 自定义环境变量表char myenv[LINE_SIZE];// 自定义本地变量表const char *getusername(){    return getenv("USER");}const char *gethostname(){    return getenv("HOSTNAME");}void getpwd(){    getcwd(pwd, sizeof(pwd));//获取当前工作目录}void interact(char *cline, int size)//交互{    getpwd();    printf(LEFT"%s@%s %s"RIGHT""LABLE" ", getusername(), gethostname(), pwd);    char *s = fgets(cline, size, stdin);输入流进行输入    assert(s);//断言不为空    (void)s;//调用s避免报错    // "abcd\n\0"    cline[strlen(cline)-1] = '\0';//取消自动换行}// ls -a -l | wc -l | head int splitstring(char cline[], char *_argv[]){    int i = 0;    argv[i++] = strtok(cline, DELIM);//区分全局变量和形参_    while(_argv[i++] = strtok(NULL, DELIM)); // 故意写的=    //NULL的设置才能实现往后移的切割    return i - 1;//去除NULL}void NormalExcute(char *_argv[]){    pid_t id = fork();    if(id < 0){        perror("fork");        return;    }    else if(id == 0){        //让子进程执行命令        //execvpe(_argv[0], _argv, environ);        execvp(_argv[0], _argv);        //系统调用        exit(EXIT_CODE);    }    else{        int status = 0;        pid_t rid = waitpid(id, &status, 0);        if(rid == id)         {//返回正确执行            lastcode = WEXITSTATUS(status);        }    }}//切换路径，内建命令//shell执行的内建命令，一个一个判断int buildCommand(char *_argv[], int _argc){    if(_argc == 2 && strcmp(_argv[0], "cd") == 0){        chdir(argv[1]);//切换路径的函数        getpwd();//获取当前路径        sprintf(getenv("PWD"), "%s", pwd);        return 1;    }    //导入环境变量export    else if(_argc == 2 && strcmp(_argv[0], "export") == 0){        strcpy(myenv, _argv[1]);//为什么要进行一个拷贝 是什么意思呢！！！！        putenv(myenv);//argv 是我们定义的，每次都是变化的        //所以不要写我们的地址，要提字符串的地址        return 1;    }    else if(_argc == 2 && strcmp(_argv[0], "echo") == 0){        if(strcmp(_argv[1], "$?") == 0)        {            printf("%d\n", lastcode);//查看退出码            lastcode=0;        }        else if(*_argv[1] == '$'){//打印环境变量            char *val = getenv(_argv[1]+1);//获取            if(val) printf("%s\n", val);        }        else{            printf("%s\n", _argv[1]);        }        return 1;    }    // 特殊处理一下ls    if(strcmp(_argv[0], "ls") == 0)    {        _argv[_argc++] = "--color";        _argv[_argc] = NULL;    }    return 0; //带有颜色之后返回，再执行普通命令}int main(){    while(!quit){        //1.许多软件启动起来就是死循环        // 2. 交互问题,获取命令行, ls -a -l > myfile / ls -a -l >> myfile / cat < file.txt        interact(commandline, sizeof(commandline));        //对函数做了一下封装        // commandline -> "ls -a -l -n\0" -> "ls" "-a" "-l" "-n"        // 3. 子串分割的问题，解析命令行        int argc = splitstring(commandline, argv);        //如何将字串打散呢        //strtok需要循环调用        //while(argv[i++]=strtok(commandline,DELIM);//故意写的等号        if(argc == 0) continue;        // 4. 指令的判断         // debug        //for(int i = 0; argv[i]; i++) printf("[%d]: %s\n", i, argv[i]);        //内键命令，本质就是一个shell内部的一个函数        int n = buildCommand(argv, argc);        // ls -a -l | wc -l        // 4.0 分析输入的命令行字符串，获取有多少个|, 命令打散多个子命令字符串        // 4.1 malloc申请空间，pipe先申请多个管道        // 4.2 循环创建多个子进程，每一个子进程的重定向情况。最开始. 输出重定向, 1->指定的一个管道的写端         // 中间：输入输出重定向， 0标准输入重定向到上一个管道的读端 1标准输出重定向到下一个管道的写端        // 最后一个：输入重定向，将标准输入重定向到最后一个管道的读端        // 4.3 分别让不同的子进程执行不同的命令--- exec* --- exec*不会影响该进程曾经打开的文件，不会影响预先设置好的管道重定向        // 5. 普通命令的执行        if(!n) NormalExcute(argv);//让命令0的时候执行    }    return 0;}

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重点思考

1.getenv和putenv是什么意思

 getenv函数用于获取指定环境变量的值。它的函数定义如下：

char *getenv(const char *name);

参数：

name：要获取的环境变量的名称。

返回值：

如果指定的环境变量存在，那么返回一个指向该环境变量值的指针。

如果指定的环境变量不存在，则返回NULL。

以下是一个使用getenv函数的示例：

#include <stdio.h>#include <stdlib.h>int main() {    char *path = getenv("PATH");    if (path != NULL) {        printf("PATH environment variable: %s\n", path);    } else {        printf("PATH environment variable not found.\n");    }    return 0;}

成功实现对环境变量的调用啦

putenv函数

putenv函数用于设置环境变量。它的函数定义如下：

int putenv(char *string);

参数：

string：形式为"name=value"的字符串，用于设置具体的环境变量及其值。

返回值：

成功时返回0。

失败时返回非零值。

以下是一个使用putenv函数的示例：

#include <stdio.h>#include <stdlib.h>int main() {    char env_str[] = "MY_ENV=hello_world";    if (putenv(env_str) == 0) {        printf("Environment variable set successfully.\n");    } else {        perror("putenv");        return 1;    }        char *my_env = getenv("MY_ENV");    if (my_env != NULL) {        printf("MY_ENV: %s\n", my_env);    } else {        printf("MY_ENV environment variable not found.\n");    }        return 0;}

注意事项

内存管理：

getenv返回的指针指向的是环境变量的值，不能直接修改此值，否则可能导致未定义行为。

putenv函数参数所指向的字符串在函数调用后仍需存在，因为putenv不会复制这个字符串。因此传递给putenv的字符串应始终位于可修改的全局或堆内存中，而不是局部变量中。

线程安全性：

getenv和putenv函数在某些实现中不是线程安全的，特别是当修改同一个环境变量时。建议在多线程环境中使用setenv和unsetenv函数，它们是现代C库中提供的线程安全的替代函数。

总结

getenv和putenv是C语言中用于获取和设置环境变量的基本函数。通过了解并正确使用它们，可以更好地管理进程环境。

2.代码extern char **environ;

 extern char **environ; 是C语言中的全局变量声明，用于访问当前进程的环境变量。为了理解这一行代码，我们需要理清以下几个关键概念：

环境变量的存储

在Unix和类Unix操作系统（如Linux）中，环境变量是一组键值对（例如PATH=/usr/bin），用于向进程传递配置信息。每个环境变量项以字符串的形式存储在一个全局变量数组中。这个数组在进程启动时由操作系统初始化，并且每个程序都可以访问和修改它。

环境变量在内存中的表示

在内存中，环境变量通常表示为一个字符串数组，每个字符串保存一个环境变量。例如：

PATH=/usr/binHOME=/home/userUSER=user...

这些字符串指针存储在一个全局变量数组中，即char **environ。

extern关键字

extern关键字用于声明一个全局变量，但不定义它。它告诉编译器这个变量是在别处（比如另一个源文件或由操作系统提供）定义的。因此，extern char **environ; 仅仅是一个声明，用来告知编译器这个变量在别处已经定义过，可以在当前文件中使用它。

为什么这样写？

在标准C库中，environ变量实际上在系统库中已经定义，我们只需要在我们的程序中声明一下即可使用。这种方式使我们能够访问和操作环境变量。

这里是extern char **environ;的具体含义：

声明：它声明了一个外部变量environ，是一个指向字符指针的指针。

外部定义：实际的环境变量数组由操作系统初始化，并定义在某个系统库中。

全局访问：通过这个声明，我们可以在任何源文件中访问和操作环境变量。

示例

下面是一个具体的例子，展示了如何使用environ来访问并打印所有环境变量：

#include <stdio.h>// 声明外部环境变量数组extern char **environ;int main(void) {    // 指向环境变量数组的指针    char **env = environ;    // 遍历并打印所有环境变量    while (*env) {        printf("%s\n", *env);        env++;    }    return 0;}

就可以成功调用所有环境变量啦

总结

extern char **environ; 这一行代码的作用是声明一个指针数组，用于访问当前进程的环境变量。通过这种方式，我们可以在C程序中方便地读取和操作环境变量。

3.内建命令是什么

内建命令是指直接内置在操作系统内核中的一些命令，与普通的外部命令（外部程序文件）不同。这些内建命令是直接由shell解释器（如Bash、Zsh等）所处理，而不需要通过外部文件的方式来执行。这些内建命令通常在操作系统的shell环境中被频繁使用，并且执行速度更快，因为它们不需要创建新的进程来执行。

在Unix和类Unix操作系统中，通常会有一些内建命令，比如cd、echo、exit等。这些命令不需要单独的可执行文件，而是直接由shell内核提供支持。当用户在shell中输入这些命令时，shell会直接处理它们，而不需要通过搜索系统路径来找到可执行文件。

值得一提的是，某些shell也允许用户通过自定义的方式添加新的内建命令，这样用户可以根据自己的需求来扩展shell的内建功能。

4.lastcode = WEXITSTATUS(status);

在C语言中，WEXITSTATUS(status) 是一个宏，用于从wait或waitpid返回的状态信息中提取子进程的退出状态。这个宏主要用于处理子进程的退出状态信息。

具体来说，WEXITSTATUS(status) 用于提取子进程在终止时传递给exit或_exit函数的退出状态。这个宏将状态信息进行适当的位操作，以获取子进程的退出状态值。

一般情况下，status 是由wait或waitpid函数返回的子进程状态，其中包含了有关子进程终止的信息，包括退出状态。通过使用WEXITSTATUS(status)，可以将状态转换为子进程的退出状态，以便于后续处理和判断子进程的终止情况。

具体的用法示例如下：

#include <sys/types.h>#include <sys/wait.h>#include <stdio.h>#include <unistd.h>#include <stdlib.h>int main() {    pid_t pid;    int status;    int lastcode;    pid = fork();    if (pid < 0) {        perror("fork failed");        exit(1);    } else if (pid == 0) {        // This is the child process        char *args[] = {"ls", "-l", NULL};        execvp(args[0], args);    } else {        // This is the parent process        waitpid(pid, &status, 0);//获得了子进程的退出码        lastcode = WEXITSTATUS(status);        printf("子进程的退出状态是：%d\n", lastcode);    }    return 0;}

在这个例子中，WEXITSTATUS(status) 会从 status 中提取子进程的退出状态，并将其赋值给 lastcode。然后这个退出状态可以被用来进行一些处理，比如根据不同的退出状态进行不同的操作。

需要注意的是，使用 WEXITSTATUS(status) 的前提是要确保传入的 status 参数是一个子进程终止的状态，因为该宏只能提取终止进程的退出状态信息。

5.execvp(_argv[0], _argv);的调用

在代码中，execvp(_argv[0], _argv) 是一个执行函数 execvp 的调用，用于执行磁盘文件上的程序。这个函数会用指定的程序文件（由 _argv[0] 指定）来覆盖当前进程的镜像，并且用 _argv 数组中的参数替换掉原来的程序参数。

相对路径执行指令

路径搜索：根据 PATH 环境变量，execvp 会在指定路径中查找可执行文件。内存映射：找到可执行文件后，将其映射到当前进程地址空间。替换镜像：用新程序的数据、堆栈、代码段替换当前进程的相应部分。执行：新程序从其入口点开始执行，覆盖原进程的代码。

下面是对 execvp 函数调用的解释：

_argv[0] 表示要执行的程序文件的路径或名称。如果是一个程序的名称而没有路径，execvp 会在 $PATH 环境变量指定的路径中搜索这个程序。_argv 是一个以空指针结尾的字符串数组，用于传递给新程序的命令行参数。数组的第一个元素（_argv[0]）通常是被执行的程序的名称，随后的元素是程序的参数。当调用 execvp 时，操作系统会加载并执行指定的程序文件，并用 _argv 数组中的参数来替换当前进程的参数。（因为默认会在PATH中查询，就和系统连接上了）如果 execvp 调用成功，则当前进程的镜像将被新程序替换，并且新程序开始执行。原来的程序代码和数据都会被新程序的代码和数据取代。如果 execvp 调用失败，它会返回-1，并且当前进程的状态不会改变。

在简单的C代码中，execvp 函数通常与 fork 函数一起使用，例如：

#include <stdio.h>#include <stdlib.h>#include <unistd.h>int main() {    char *_argv[] = {"ls", "-l", "-a", NULL}; // 要执行的命令及参数组成的数组    execvp(_argv[0], _argv);  // 在新的程序中执行 ls 命令    // 如果执行成功，下面的代码不会被执行    perror("execvp"); // 如果 execvp 失败，打印出错误信息    return 1;}

需要注意的是，execvp 在执行成功后，原进程的代码和数据将会被新进程替换。这就意味着，如果 execvp 后面还有代码，那么这些代码将不会被执行，因为当前的程序已经不再存在。

实现shell， 一行一行的运行，先判断是否为内建命令

6._argc&_argv

_argv：是一个字符指针数组，用于存储命令和参数。_argc：是整型变量，用于存储命令和参数的数量。splitstring 函数将命令行字符串分割成多个子字符串，存储在 _argv 中，并返回子字符串的数量 _argc。NormalExcute 函数使用 _argv 数组创建子进程并执行命令。buildCommand 函数使用 _argv 和 _argc 处理内建命令。