Bash Tutorial

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Weiran Huang Nov 14, 2019

对程序员而言，Shell是一种必备技能。目前，Bash是最流行的Shell程序之一，因此学会Bash的使用是很有必要的。

Step 01

什么是Bash？

Bash是“Bourne Again SHell”的简称，从名字来看，它是一个Shell程序，并且和Bourne（也是一种Shell）有着某种继承关系。

什么是Shell？

Shell是一种可执行的二进制文件，它接收你输入在终端的命令，并最终将这些命令翻译为系统调用，借助你的操作系统提供的API完成一系列工作。在中文里，Shell的意思是“外壳”：你可以把它想象成套在操作系统上的一层外壳，你所有的操作都在外壳上进行，但实际发挥作用的是外壳里的东西，就像是你通过外壳上的按钮来操作一台电视机一样。

除了Bash之外？

除了Bash之外当然还有很多其他的Shell程序，比如我自己使用的就是zsh。此外还有sh（就是刚才说的Bourne），ash，dash，ksh等等

你可以通过以下这张图片了解他们之间的关系：

MNtqNF.png

一件奇特的事情是你可以在某一个Shell里运行另一个Shell：不过这种特性是很自然的，因为“将运行其他程序统一为一体”正是Shell的一大特性，这里不过是把另一个Shell当作另一个程序罢了。

这个特色让我们得以轻松比较不同的Shell。比如在zsh，tcsh等中，$dirstack变量会存储最近访问过的路径列表，但这个变量在Bash中不存在：

MNG5X6.md.png

（我在tcsh和zsh中$dirstack的值不同是因为我在两个shell里访问过的路径不同）

尽管如此，它们在很多时候是相通的。

Step 02

Globbing：通配符

通配符的英文是wildcards，又叫做globbing patterns，它用来处理一组路径，可以被看做早期的正则表达式。之所以叫glob是因为Unix早期有一个/etc/glob文件来保存通配符模板。它现在被内置在Bash中，Python中也有一个glob模块。

一个简单的例子如下所示，和正则式有相通之处，这里不详细讲解：

Maixmt.md.png

但是你会发现，如果你输入的是ls '*'和echo '*'，这里的*并没有发生任何匹配，而是直接被当作这个字符来处理了。
当然正则式和glob的区别还是存在的并且不少，而且Bash本身也对glob做了一些拓展。这里不再细究。

Variables：变量

MYSTRING=astring
echo $MYSTRING

非常容易理解，值得注意的是取值的时候需要加上$，并且是不要乱加空格。如果变量值内部有空格，就需要引号，这里单引号双引号都可以：

MYSTRING="a sentence"

但单双引号的一大区别是，当你在引号里加入变量名的时候：

MYSENTENCE="This is $MYSTRING"
echo $MYSENTENCE  # OUTPUT: This is astring
MYSENTENCE='This is $MYSTRING'
echo $MYSENTENCE  # OUTPUT: This is $MYSTRING

前者会取变量的值，而后者不会。

事实上Bash对待变量和单双引号这个事情的效果还挺有趣的，而且和我通常使用的zsh有所不同：

MaEEXd.md.png

可以看到，无论MYGLOB被赋值*还是"*"，存在MYGLOB里的都是一个单独的字符；并且在Bash中变量的值还可以进一步被当作通配符被解析，而zsh则不会。

Shell本身自带一些变量，比如PPID，它储存着当前Bash的父进程ID，这种变量是只读的。我们自己也可以设置只读变量：

readonly MYVAR=var
MYVAR=antohervar  # error

还有一个问题。当你设置了一个变量，又打开了另一个进程，在新的进程里你的变量就不存在了。但如果你使用export 命令，这个变量就会出现在你当前shell中运行的所有进程的环境中了：

export MYSTRING=astring

变量还可以是array或associate array的形式。这里不详细介绍。

Functions: 函数

像一个编程语言一样，Shell还可以编写函数：

function myfunc {
    echo $1
    echo $2
}

这个声明和普通的编程语言没什么区别，主要的不同就是它并不指出参数，并且它也并不在意你到底给它几个参数，因为多余的它会忽略，缺少的它会认为是空：

myfunc hello world haha  # output: hello world
myfunc hello world       # output: hello world
myfunc hello             # output: hello(and an empty line)

Shell函数中的变量也有其作用域。外部变量在函数中都可见，而想要函数内部的变量不被外部可见，可以在声明前加上local。

Step 03

Commands: 命令

Bash中的命令主要是四种：

  • 内置（builtins）
  • 函数（functions）
  • 程序（programs）
  • 别名（Aliases）

内置命令是指直接在Bash里定义好的命令，最常见的是cd，builtin自己也是一个builtin。当你输入builtin cd /dir 的时候它会和普通的cd一样运行；而如果是一个非builtin的命令，则会被提示没有这个命令。

一个它可能会发挥作用的场景是：假如你定义了一个函数也叫cd，那么它会覆盖原来builtin的cd，这时候输入builtin cd /dir 还是会唤起builtin的版本。

说到函数，要查看当前环境下的所有函数可以使用：

declare -f  # show all the functions in the environment

declare -F  # only show their names

对于已经定义的函数，可以通过unset -f来解除。

程序，在这里指可执行的文件。包括grep，sed，vi 等都是常见的程序。要判断一个命令到底是builtin还是program，可以通过刚才说的，在命令前加上builtin，也可以使用which <command>查看命令是否保存在文件系统中来确定。

which 自身是一个builtin。当你输入which which 时，可以看到这个结果。

别名很容易理解，就是一个字符串，你输入shell之后它会自动把你翻译给这个别名所指代的另一个字符串，这个字符串可能是一个命令。

用法是：

alias a=b  # make alias
unalias a  # delete this alias
alias      # show alias available

在我的zsh中，ls是ls -G的别名。ls -G中的ls是一个程序，这里被这个别名给覆盖了。

Pipes and Redirects：管道和重定向

重定向符号是>：

echo "content of file1" > file1

它把前一个指令的输出发送到后面的文件中；如果文件不存在它会创建一个。默认的输出是标准输出流，如果要输出标准错误流，则需要在>前加上文件描述符（0是标准输入流，1是标准输出流，2是标准错误流），默认是1，标准输出流：

command 2> /dev/null

顺带一提，/dev/null是一个特殊的文件，传给它的所有东西都会被直接丢弃。

我们知道标准输出流和标准错误流是分别独立存在的。有时当我们写程序，并且程序有输出、又出现报错信息的时候，我们会发现它们是交替出现的，这正是这一特性的体现。但我们可以将标准错误流重定向到标准输出流指向的地方：

command_does_not_exist 2>&1

通常来说它们两个都是指向终端，所以没有什么区别，但是它们中有人被重定向到文件，情况就有所不同了：

command_does_not_exist 2>&1 > outfile
command_does_not_exist > outfile 2>&1

这两个命令看似没什么区别，但实际上第一行会把错误信息输出终端，而第二个输出错误，而是把错误信息存进了outfile中。区别就在于，第一行首先把标准错误流的输出指向了标准输出流指向的地方——终端，之后它再把标准输出流重定向到了文件。而第二行首先把command_does_not_exist 的标准输出流重定向到了outfile，之后再把标准错误流指向标准输出流指向的地方，而这时，是文件。

管道则是一个非常形象的名字。它将前一个命令的标准输出于是弄给下一个命令作为输入，好像通过管道连接一样。管道运算符是|：

cat file1 | grep -c file

这个命令会找出文件file1 中含有“file”的行数。

但管道是只接收标准输出流的。假如上面这条命令中，file1这个文件并不存在， 则会输出以下结果：

MbeuLR.md.png

可见标准错误流并不能通过管道。但如果你把上面的 | 换成 |&结果就完全不同了：|& 可以同时传送标准输入和标准错误，因为这行错误信息中有一个“file”，因此输出结果会是1。

管道和重定向有相似之处，管道传送的对象是另一个命令，而重定向的对象则是文件。

Step 4

Test and if statement：测试和条件

test允许我们实现条件表达式。我们在一对方括号中放入被测试的条件，或者之前在前方放test:

[ 1 = 0 ]
test 1 = 0

可以用echo $?来获得上一条指令的结果。与其他编程语言不同，在bash中，假值会返回一个非零值，而真值会返回0。这点需要格外注意。

不过bash也提供了和很多编程语言相同的逻辑运算符。如：

( [ 1 = 1 ] || [ ! '0' = '0' ] ) && [ '2' = '2' ]
[  1 = 1 -o  ! '0' = '0'  -a  '2' = '2' ]  # -o: or, -a: and, but you cannot use () to group within them.

[[ 和 [很类似，实际上在大多数情况下他们表现得别无二致，区别在于前者对不存在的变量名的处理方式。如下所示：

unset DOESNOTEXIST
[ ${DOESNOTEXIST} = '' ]  # treat it as [ = '' ], so bash will complain
echo $?
[[ ${DOESNOTEXIST} = '' ]]  # treat it as [[ '' = '' ]]
echo $?
[ x${DOESNOTEXIST} = x ]  # treat it as [ x = x ]
echo $?

下面介绍一些常见的操作符，包含一元和二元操作符。

常用的一元运算符如下：

touch tests_file   # Create tests file
mkdir tests_dir
[ -a tests_file ]  # -a returns true if file exists
echo $?
[ -d tests_file ]  # -d returns false if the directory does not exist
echo $?            # A normal file is not a directory
[ -a tests_dir ]   # A directory is a type of file, so returns true
echo $?
[ -d tests_dir ]   # -d returns true if directory exists
echo $?
[ -z "$PWD" ]      # -z is a unary operator that takes one argument
echo $?            # Returns false, as PWD has content

常见的二元运算符主要是比较操作符。但需要注意bash中< > =是定义在字符串上的操作符，在整数上应该使用-lt -gt -eq。下例展示了这几个操作符的用法，顺便也介绍了if statement的写法：

if [[ 10 -lt 2 ]]
then
  echo 'does not compute'
elif [[ 10 -gt 2 ]]
then
  echo 'computes'
else
  echo 'neither greater than, or less than, so must be equal'
fi

Loops：循环

因为循环语句在各种编程语言中非常常见，此处仅以例子说明。

for循环：

for (( i=0; i < 20; i++ ))
do
  echo $i
  echo $i > file${i}.txt
done


for f in $(ls *txt)
do
    echo "File $f contains: $(cat $f)"
done

while循环：

n=0
while [[ ! -a newfile ]]
do
    ((n++))
    echo "In iteration $n"
    if [[ $(cat file${n}.txt) == "15" ]]
    then
            touch newfile
    fi
done

到这里，我认为简单的Bash tutorial就暂时结束了。虽然没有涉及很多具体的命令，但我们建立了一个Bash的big picture。当然这里缺少了最关键的部分：shell脚本。不过我希望能有空再写一篇博客谈谈这个。

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