Shell

定义

Shell是一个接收用户输入命令并调用操作系统内核来执行任务的程序，它是用户与内核的桥梁

• 内核（Kernel）：底层，控制硬件和资源（CPU、内存、文件系统…），它是高精度且脆弱的，不能让认直接操作，否则一个错误指令就会导致内核崩溃
• 壳(Shell)：包在Kernel外部的外壳，起到保护和交互的作用，它接收用户输入（命令/脚本），翻译成系统调用，让内核去执行

CLI是一种交互方式/交互模式
它回答的是：用户和计算机之间以什么形式对话，答案是：文本命令

Shell是一个具体的程序/软件
它回答的是：谁来接收、理解、执行用户输入的命令，答案是：Shell程序（如Bash, Zsh）

这就像C/C++语言标准与不同编译器实现(MSVC, GCC, LLVM)，数据结构概念和具体实现（C++ STL, C# .NET）

为了方便自动化任务，Shell把自己接收和执行命令的这套语法规则系统化，形成了一门编程，即Shell Script Language；不同的Shell实现（如Bash, Zsh）有不同的Shell Script Language，但核心共通。大多数Shell都遵循POSIX Shell标准(sh标准)，所以基础语法是通用的，但每个Shell有自己的扩展语法

Shell的类型

Shell不是只有一种，而是有很多实现：

• Sh(Bourne Shell)：最早的Unix Shell
• Bash(Bourne Again Shell)：Linux最常见的Shell，功能强大，几乎是默认标准
• Zsh：可定制性强，搭配Oh-My-Zsh用起来很炫酷
• Fish(Friendly Interactive Shell)：语法友好，自动补全更智能
• Csh/Tcsh：C like，早期流行

Shell的两种使用方式

1. 交互式

• 打开终端输入命令

ls -l
cd /home
mkdir test

• Shell逐条接收命令、执行、返回结果

2. 脚本式

• 把一堆命令写进文件里(.sh)，让Shell一次性执行

#!/bin/bash
echo "Hello, Linux"
for i in {1..5}; do
  echo "Count: $i"
done

• 执行：bash script.sh

这就是Shell脚本编程

Shell提供的功能

• 命令执行：直接在Shell中输入命令，Shell解释并执行
  • 例如，输入ls列出目录内容
• 输入输出重定向：通过重定向符号（>,>>,<）控制输入输出流
  • 例如，echo "Hello World" > output.txt会将输出写入到output.txt文件
• 管道(|)：将一个命令的输出直接传递给另一个命令作为输入
  • 例如，ps aux | grep 'python'会列出所有与python相关的进程
• 命令替换：可以将命令的输出作为另一个命令的输入，使用反引号或$()语法
  • 例如，echo $(date)会输出当前的日期和时间
• 环境变量：Shell通过环境变量来存储系统的配置信息
  • 例如，$HOME表示当前用户的主目录，$PATH存储可执行文件搜索路径
• 命令别名：使用alias创建命令的别名，方便快捷
  • 例如，alias ll='ls -l'可以将ll作为ls -l的简写

Shell脚本

Shell脚本是由一系列命令组成的文件，通常用于自动化重复性任务。脚本的基本语法如下

#!/bin/bash 
# 这是一个注释

echo "Hello, Wrold!" # 打印输出

• #!/bin/bash：称为Shebang或Hashbang。它告诉系统使用哪个解释器来执行这个脚本。这是脚本的第一行，必须是绝对路径
• # 这是一个注释：以#开头的行是注释，不会被解释执行
• echo "Hello, World!"：一个简单的Shell命令，用于输出文本

Shebang

Shebang（也叫hashbang或bang line）是指在脚本文件的第一行中的一个特殊符号#!，后面跟着解释器的路径，用于告诉操作系统该脚本文件应由哪个解释器来执行。它使得用户可以直接通过执行脚本文件来执行程序，而不需要显式地调用解释器（例如bash script.sh）

shebang是#!的读法(sh + bang)

• # -> hash/sharp
• ! -> bang（感叹号的俚语说法）

在早期UNIX黑客圈里，#!被念作：sh-bang -> shebang

#!最早的用途是

#!/bin/sh

• sh = shell
• bang = !

Shebang语法

Shebang的基本形式是

#!/path/to/interpreter 

• #和!组成的符号#!是一个固定的标志，用来告诉操作系统这是一个shebang行
• /path/to/interpreter是解释器的完整路径，例如/bin/bash， /usr/bin/python3等

如何工作

• Shebang行让脚本文件在执行时知道该用哪个解释器来执行它。当你运行一个脚本时，操作系统会读取脚本的第一行，看到#!后，自动去查找并调用执行的解释器（例如/bin/bash）
• 例如，如果有一个hello.sh脚本，并且它的第一行是

#!/bin/bash 

当你通过命令./hello.sh来执行它时，系统会使用/bin/bash来解释和执行该脚本的内容，而不需要显式地在命令行中输入bash hello.sh

Shebang存在的意义

• 便捷性：它让脚本可以直接运行，而无需显式指定解释器。例如，只需./script.sh就能隐匿性脚本，而不是先运行bash script.sh
• 可移植性：Shebang使得脚本可以在不同的系统中运行，只要该解释器存在于相同的路径下。它还支持使用/usr/bin/env来查找解释器，这样即使解释器路径不同，脚本也可以在各种系统上运行
• 指定解释器：它允许你指定脚本需要的解释器，不论系统上默认的Shell是什么。这样就可以确保脚本按照你希望的方式执行

Shebang与文件权限

为了使脚本能够被执行，脚本文件必须具备执行权限。可以使用chmod命令赋予执行权限

Shebang与/usr/bin/env

有时，直接指定解释器的路径可能会在不同系统中产生问题，因为解释器的路径可能不同。例如，Python解释器可能位于usr/bin/python, usr/local/bin/python或/bin/python，这取决于安装方式和操作系统

为了解决这个问题，可以使用/usr/bin/env，它会自动查找环境变量中的解释器路径

#!/usr/bin/env python3 

使用这种方式，系统会使用env查找系统中第一个可用的python3解释器，而不需要硬编码具体的路径

Shebang的例外

• 交互式Shell：如果在终端中直接启动一个Shell（如bash），而没有使用Shebang行，那么Shell会交互式地运行，而不会自动去找指定的解释器
• Shebang脚本的兼容性：大多数Linux系统支持Bash脚本的Shebang，但如果使用了不同类型的Shell（如Zsh），确保脚本首行指向正确的Shell解释器

有时候不写shebang程序也可以正常运行，这是因为shell兜底执行

当运行一个文件

./script

实际上有两条路径

情况1：有shebang（内核处理）

#!/bin/bash
echo hello

流程

shell -> execve() -> 内核
                  -> 发现#!
                  -> 用指定解释器执行

这完全由内核决定

情况2：没有shebang（shell兜底）

echo hello

流程

shell -> execve()
      -> 失败（不是ELF,也没有#!）
      -> shell 捕获错误
      -> 用默认shell（比如bash）再执行一遍

是shell自己决定的

shell的补救机制

像Bash这种shell会这样处理

if execve() 返回ENOEXEC:
    用/bin/sh再执行这个文件

所以此时的

./script

等价于

sh ./script

不写shebang是一种危险行为，不应该依赖这个机制，因为

1. 不同shell行为不一样，bash，dash会fallback,有些shell不会
2. 默认解释器$SHELL不确定，可能导致不同行为
3. 语法可能不兼容，同上

如何执行脚本

1. 添加执行权限（推荐）：

chmod +x hello.sh 
./hello.sh # 在当前目录下执行

2. 直接使用解释器（无需执行权限）

bash hello.sh 

变量

定义和使用变量

• 定义：变量名=变量值（等号两边不能有空格）
• 使用：在变量名前加$符号，或者用${变量名}(推荐，明确变量边界)

#!/bin/bash 

name="Alice"
age=30

echo "My name is $name."
echo "I am ${age} years old."

# 将一个命令的结果赋值给变量
current_time=$(date) # 或者用反引号 `date`
echo "Current time is: $current_time"

注意：变量名区分大小写，且默认都是字符串类型。进行数学运算需要特殊处理

只读变量和删除变量

#!/bin/bash 

readonly my_var="This is constant"
my_var="Change it" # 这行会报错

normal_var="To be delete"
unset normal_var
echo $normal_var # 输出空行

环境变量和局部变量

• 环境变量：对所有Shell会话和子进程都可见，通常用export定义
• 局部变量：只在当前Shell脚本中可见

#!/bin/bash 

local_var="I'm local"
export CLOBAL_VAR="I'm global"

# 在脚本中调用另一个脚本，GLOBAL_VAR会被传递过去

字符串操作

Shell中的变量值通常都被当作字符串处理

#!/bin/bash 

str="Hello World"

# 获取长度
echo ${#str} # 输出11

# 字符串切片
echo ${str:0:5} # 从索引0开始，截取5个字符，输出“Hello”

# 查找字符串（返回索引，从1开始计数）
echo `expr index "$str" "Wo"` # 输出 7

# 字符串替换
echo ${str/World/There} # 输出 “Hello There”

# 更多替换
path="/home/user/file.txt"
echo ${path%.txt} # 删除后缀，输出”/home/user/file"
echo ${path%/*} # 删除最后一部分，输出 “home/user”
echo ${path##*/} # 只保留最后一部分，输出“file.txt”

传递参数

在执行脚本时，可以向其传递参数

#!/bin/bash
# 假设脚本名为 test.sh

echo "Script name: $0"
echo "First argument: $1"
echo "Second argument: $2"
echo "Number of arguments: $#"
echo "All arguments (as a string): $*"
echo "All arguments (as an array): $@"
echo "Exit status of last command: $?"
echo "Process ID (PID) of this script: $$"

执行./test.sh arg1 arg2，输出

Script name: ./test.sh
First argument: arg1
Second argument: arg2
Number of arguments: 2
All arguments (as a string): arg1 arg2
All arguments (as an array): arg1 arg2
Exit status of last command: 0
Process ID (PID) of this script: 12345

$*与$@的区别（在循环中尤其重要）

• $*：将所有参数都视为一个整体字符串（“arg1arg2”）
• $@：将每个参数视为独立的字符串（“arg1"“arg2”）

数组

Bash支持一位数组

#!/bin/bash 

# 定义数组
fruits=("Apple" "Banana" "Orange")

# 按索引赋值
fruits[3]="Grape"

# 读取数组元素
echo ${fruits[0]} # 输出 Apple

# 读取所有元素
echo ${fruits[@]} # 输出所有元素为独立字符串
echo ${fruits[*]} # 输出所有元素为整体字符串

# 获取数组长度
echo ${#fruits[@]} # 输出 4

# 遍历数组
for fruit in "${fruits[@]}"; do 
    echo "Fruit: $fruit"
done 

基本运算符

算术运算符

在Bash中，不能直接用a=1+1，需要使用以下方式

1. $(( ... ))（最常用，推荐）

a=$(( 10 + 5  ))
echo $a # 15 
echo $(( 10 % 3 )) # 取模，输出1 
(( a++  )) # 自增

2. expr命令（较老的方式）

a=`expr 10 + 5` # 注意运算符两边的空格

3. let命令

let "a = 10 + 5"

关系运算符（常用于[[]]或test命令）

• -eq：等于
• -ne：不等于
• -gt：大于
• -lt：小于
• -ge：大于等于
• -le：小于等于

字符串运算符

• =或==：相等
• !=：不相等
• -z：字符串长度为0（空）
• -n：字符串长度非0
• str：检查字符串是否不为空（简单写法）

文件测试运算符

• -e file：文件/目录是否存在
• -f file：是否是普通文件
• -d file：是否是目录
• -r file：是否可读
• -w file：是否可写
• -x file：是否可执行
• -s file：文件大小是否大于0（非空）

流程控制

条件语句if

#!/bin/bash 

if [[ condition  ]]; then 
    # 执行命令
elif [[ condition2  ]]; then 
    # 执行命令
else
    # 执行命令
fi 

[ ] vs [[ ]] vs test

• test expression和[ expression ]是等价的，是POSIX标准，但功能较弱
• [[ expression ]]是Bash的扩展，功能更强大、更安全（例如，支持&&, ||，字符串比较不需要引号也能处理空格）

示例

#!/bin/bash 

read -p "Enter a number: " num 

if [[ $num -gt 10 ]]; then 
    echo "Number is greater than 10."
elif [[ $num -eq 10 ]]; then 
    echo "Number is exactly 10."
else 
    echo "Number is less than 10."
fi 

# 检查文件
file="/path/to/file"
if [[ -f "$file" && -r "$file" ]]; then 
    echo "File exists and is readable."
fi 

# 字符串比较
name="Bob"
if [[ $name == "Bob" ]]; then 
    echo "Hello, Bob!"
fi 

选择语句case

#!/bin/bash 

read -p "Enter yes or no: " answer 

case $answer in 
    [Yy]|[Yy][Ee][Ss])
        echo "You agreed."
        ;;
    [Nn]|[Nn][Oo])
        echo "You disagreed."
        ;;
    *)
        echo "Invalid input"
        ;;
esac 

循环语句

for循环

#!/bin/bash 

# 遍历值列表
for color in red green blue; do 
    echo "Color is $color"
done 

# 遍历命令输出
for file in $(ls *.txt); do 
    echo "Processing $file"
done 

# C语言风格
for (( i=0; i<5; i++ )); do 
    echo "i=$i" 
done 

while循环

#!/bin/bash 

count=1
while [[ $count -le 5 ]]; do 
    echo "Count: $count"
    ((count++))
done 

# 读取文件逐行处理（经典用法）
while IFS= read -r line; do 
    echo "Line: $line"
done < "/path/to/file"

until循环（与while相反，条件为假时执行）

#!/bin/bash 

count=1 
until [[ $count -gt 5 ]]; do 
    echo "Count: $count" 
    ((count++))
done 

循环控制：

• break：跳出整个循环
• countinue：跳过本次循环，进入下一次

函数

函数用于封装可重用的代码块

#!/bin/bash 

# 定义函数
my_function() {
    local local_var="I'm local" # 局部变量，推荐使用
    echo "Hello from function"
    echo "First argument to function is: $1" # 使用函数自己的参数
    return 0 # 返回值（0-255），通常0表示成功
}

# 另一种定义方式
function another_func {
    echo "Another function"
}

# 调用函数
my_function "arg1"

# 获取函数返回值
my_function
echo "Function exit status: $?"

注意：函数内的变量默认是全局的，使用local关键字可以定义局部变量

输入输出重定向

调试技巧

• -x：跟踪执行，显示每一行命令及其参数

bash -x your_script.sh 
# 或在脚本开头 set -x 

• -e：遇到错误（命令返回非零状态）立即退出脚本
• -u：遇到未定义的变量时报错
• -o pipefail：管道中任何一个命令失败，整个管道就失败

通常可以在脚本开头这样写

#!/bin/bash 
set -euo pipefail # 严格的错误处理模式

Bash

Bash(Bourne Again Shell)是一个命令行解释器和脚本语言，是Linux和macOS等类Unix操作系统中最常用的Shell之一。Bash是由Brian Fox为GNU项目开发的，是Unix的Bourne Shell(sh)的替代品，因此得名"Bourne Again Shell”

Bash不仅作为一个交互式命令行解释器使用，也广泛用于编写脚本来自动化各种系统管理任务、应用程序部署等工作