20170829 Shell编程进阶（二）

• 函数的基本含义
• 函数的定义和使用
• 数组
• 字符串处理
• 特殊的处理变量用法

一、函数基本含义：

• 函数：多条Shell命令组成的语句块，实现代码重用、模块化编程

• 函数与Shell程序的区别：

  • 函数不能独立运行，Shell程序可以独立运行
  • 函数只能在Shell程序中运行，Shell程序可以在其他Shell程序建立的子Shell中运行
  • 函数可以修改Shell中的变量，子Shell程序无法修改父Shell程序的变量

• 使用函数前必须对其定义，定义中需要阐明函数名和函数体

• 函数的定义：函数的名称建议有一定含义，增加可读性
  函数定义的语法格式共有3种，效果相同

  • 格式1：
    function f_name {
    函数体
    ......
    }
  • 格式2：
    function f_name () {
    函数体
    ......
    }
  • 格式3：
    f_name() {
    函数体
    ......
    }

• 函数的使用：给出函数名，则函数名位置自动被替换为函数代码

• 函数的定义和使用方式：

  • 可以在交互式环境中直接定义函数
  • 可以在脚本中定义和使用函数
  • 可以把函数的定义编写在一个脚本文件中

• 函数的返回值：

  • 函数体内echo语句输出值
  • 函数体内调用命令的输出结果

• 函数的退出状态码

  • 默认状态：退出状态码取决于函数体执行的最后一条命令的退出状态码
  • 自定义退出状态码 return命令：
    • return，默认状态的退出状态码：return前最后执行命令的退出状态码
    • return NUM：以指定的数字NUM（0-255）作为退出状态码，一般0指代成功，1-255可以自定义各类错误

二、函数的定义与使用详解：

（一）函数的定义：

• 交互式环境定义

f_name () {          //第一行输至{回车
>函数体语句           //>是提示符，后面输入函数体语句，回车换行继续输入
>函数体语句
> ......
>}                   //输入}后回车定义本函数完毕

• 在脚本中定义函数
  shell是解释性语言，运行时从上至下执行语句，故函数的定义语句必须在其被调用之前

• 函数定义文件
  使用函数文件中定义的函数前，必须先执行函数定义文件，此时函数的定义将载入当前shell环境中，语法：. filename 或者 source filename

（二）函数的使用

• 只需给出函数名即可调用函数

  • set：查询当前所有定义的函数，这些函数都已经载入所在shell
    语法：set f_name， f_name：函数名称
  • unset：撤销函数的定义，被撤销函数的定义将从shell中卸载
    语法：unset f_name，f_name：函数名称

• 环境函数：在子进程中使用父进程定义的函数
  语法：
  声明环境函数：export -f f_name，f_name函数名称
  查看环境函数：export -f 或者 declare -xf

• 函数的参数：函数可以接受参数，从而扩展函数的使用功能

  • 传递参数给函数：在调用函数时，在函数名后直接附加以空格分隔的给定参数
    语法：f_name arg1 arg2 arg3...，f_name：函数名称；arg1,arg2,arg3：参数
  • 函数体内调用参数，使用位置变量$1, $2, $3以及一些特殊变量：$*, $@, $#

• 函数变量的作用域：

  • 环境变量：在父进程、子进程均有效的变量，使用export var_name声明
  • 本地变量：仅在本进程范围内有效的变量，函数内对本地变量的修改将影响到函数外
  • 局部变量：仅在函数的生命周期内有效，函数调用结束则自动消失，故函数内对局部变量的修改对函数外无影响，使用local var_name声明
  • 当本地与局部变量名称相同时，从函数的声明周期角度分析，函数体内部使用局部变量运算，函数体外使用本地变量运算，两个变量相互隔离

• 函数的递归调用：函数调用自身

  • 函数的递回调用一般需要有结束条件，使子层函数的结果最终能够返回至上层函数中
  • 不同的语言的最大递归层数不同
  • fork炸弹：不断fork进程的无限循环，最终耗尽系统资源
    • 函数实现
      :(){ :|:& };:，:冒号是函数名称，本函数与下面的函数写法相同
      bomb() { bomb | bomb & }; bomb，函数名为bomb
    • 脚本实现

      #! /bin/bash
      ./$0|./$0&
      

• 实验：
  汉诺塔问题：三根柱子，在一根柱子上从下往上按照大小顺序摞着N片盘子。要求把圆盘从下面开始按大小顺序重新摆放在另一根柱子上。并且规定，在小圆盘上不能放大圆盘，在三根柱子之间一次只能移动一个圆盘，利用函数，实现N片盘的汉诺塔的移动步骤

  分析：
  想要把N个盘子从一个柱子移动到另一个柱子，可以分为三个步骤：（1）把N-1个盘子从柱子A移动到柱子B；（2）把第N个盘子从柱子A移动到柱子C；（3）把N-1个盘子从柱子B移动到柱子C。而步骤1和步骤3都能够再分解为如上的三个步骤，所以汉诺塔问题是一个递归问题。通过递归函数，可以实现输出汉诺塔的移动步骤。

  代码：

read -p "please type the layer of hannuota: " num 
from="A"
via="B"
to="C"
#第2步的函数实现
move () {
        echo "plate:$1 $2 --> $3"
}
#实现递归函数
hannuota () {
#       echo num:$1 from:$2 via:$3 to:$4
        if [ $1 -eq 1 ]; then
                move $1 $2 $4
        else
#递归过程具体实现
                hannuota $[ $1-1 ] $2 $4 $3
                move $1 $2 $4
                hannuota $[ $1-1 ] $3 $2 $4
        fi  
}
#调用函数
hannuota $num $from $via $to

执行结果如下：

三、数组：

（一）数组的定义：

• 数组：存储多个元素的连续的内存空间，相当于多个变量的集合

• 数组的索引：从0开始编号，数字索引方式

• 数组的关联索引：自定义索引，使用字母、数字等符号作为索引，从bash 4.0开始支持

• 稀疏数组：数组的索引编号不连续，可以创建时不连续，也可能因数组的增删操作而变得不连续

（二）数组的语法介绍：

• 声明数组：普通数组和关联数组一经声明不可互相转换
  普通数组：declare -a ARRAY_NAME
  关联数组：declare -A ARRAY_NAME，关联数组必须先声明才能被调用

• 数组元素的赋值：
  （1）给单个元素赋值：
  ARRAY_NAME[#]=VALUE
  （2）一次将数组元素赋值：
  ARRAY_NAME=("VAL1" "VAL2" "VAL3" "VAL4" ...)
  （3）给特定的数组元素赋值：
  ARRAY_NAME=([0]="VAL1" [2]="VAL2" ...)
  （4）交互式赋值：
  read -a ARRAY_NAME

• 显示所有数组：
  declare -a

（三）数组数据的处理：

• 引用数组元素：${ARRAY_NAME[#]}
  注明：${ARRAY_NAME}相当于${ARRAY_NAME[0]}

• 引用数组所有元素：
  ${ARRAY_NAME[*]} 或者 ${ARRAY_NAME[@]}

• 数组的长度（数组元素的个数）
  ${#ARRAY_NAME[*]} 或者 ${#ARRAY_NAME[@]}

• 添加数组元素至数组尾部
  ARRAY_NAME[${#ARRAY_NAME[*]}]=VALUE

• 删除数组元素
  unset ARRAY_NAME[#]

• 删除数组
  unset ARRAY_NAME

• 数组切片
  ${ARRAY_NAME[@]:offset:number}
  offset：跳过元素的个数
  number：取出元素的个数

• 实验：如下图所示，实现转置矩阵matrix.sh

1 2 3              1 4 7
4 5 6    ===>      2 5 8
7 8 9              3 6 9

分析发现需要交换的数字其特点在于，两个数字所在位置的行号与列号正好相反。如数字2位于行1列2，而数字4位于行2列1。由此，可以分别采用两次循环操作行号和列号，并交换符合要求的数字。为了防止已经交换的数字再次交换，实际上需要虚幻的数字位于数字1至数字9所连接成的对角线上方数字即可。

代码如下：

#要求用户输入想要N*N的矩阵
read -p "please type the number of matrix: " matrix_num
#从0行0列开始数组编号，所以先对用户输入值自减1
let matrix_num--      
num=1
#定义数组
declare -a matrix   
#从1开始为矩阵赋值   
for i in `seq 0 $matrix_num`; do  
        for j in `seq 0 $matrix_num`; do
                matrix[$i$j]=$num
                let num++
        done
done
#定义函数，实现矩阵打印
func() {
        for p in `seq 0 $matrix_num`; do
                for q in `seq 0 $matrix_num`; do
                        echo -ne  "${matrix[$p$q]}\t"
                done
                echo
        done
}
#调用函数，打印矩阵
func
echo
# 将矩阵转置
for x in `seq 0 $matrix_num`; do
        for y in `seq $x $matrix_num`; do
                if ! [ $x -eq $y ]; then
                        temp=${matrix[$x$y]}
                        matrix[$x$y]=${matrix[$y$x]}
                        matrix[$y$x]=$temp
                fi
        done
done
#再次调用func函数，打印矩阵
func

执行结果如下：

四、字符串处理：

（一）字符串切片：

• ${#var}：返回字符串变量的长度

• ${var:offset}：返回字符串从第offset个（不含第offset个）到最后字符的部分

• ${var:offset:num}：返回字符串从第offset个（不含第offset个）共num个字符长度的部分

• ${var: -length}：返回字符串最右侧的length个字符，冒号后有一个空格

• ${var:offset:-length}：返回字符串从第offset个（不含第offset个）到距最右侧共length个字符的部分

• ${var: -length:-offset}：从最右侧向左取length个字符开始，至距最右侧offset个字符之间的字符，-length前有一个空格

（二）基于模式取子字符串：

• ${var#*word}：删除从字符串开始至第一次出现word之间的所有字符

• ${var##*word}：贪婪模式，删除从字符串开始至最后一次出现word之间的所有字符

• ${var%word*}：删除从最右侧开始至第一次出现word之间的所有字符

• ${var%%word*}：贪婪模式，删除从最右侧开始至最后一次出现word之间的所有字符

（三）查找替换

• ${var/pattern/substr}：将查找到的第一次匹配pattern的字符串替换为substr

• ${var//pattern/substr}：将查找到的所有匹配pattern的字符串替换为substr

• ${var/#pattern/substr}：将行首匹配pattern的字符串替换为substr

• ${var/%pattern/substr}：将行尾匹配pattern的字符串替换为substr

（四）查找删除

• ${var/pattern}：将查找到的第一次匹配pattern的字符串删除

• ${var//pattern}：将查找到的所有匹配pattern的字符串删除

• ${var/#pattern}：将行首匹配pattern的字符串删除

• ${var/%pattern}：将行尾匹配pattern的字符串删除

（五）大小写转换

• ${var^^}：字符串全部转换为大写

• ${var,,}：字符串全部转换为小写

五、特殊的处理变量用法：

（一）声明为有类型变量：declare 和 typeset，两者等价

语法：
declare [选项] 变量名
-r 声明或显示只读变量
-i 将变量定义为整型数
-a 将变量定义为数组
-A 将变量定义为关联数组
-f 显示此脚本前定义过的所有函数名及其内容
-F 仅显示此脚本前定义过的所有函数名
-x 声明或显示环境变量和函数
-l 声明变量为小写字母
-u 声明变量为大写字母

（二）eval命令：

• 功能：先扫描一次命令行执行全部替换，再执行命令

• 适用于一次扫描不能实现功能的变量，eval命令可以实现两次扫描

（三）间接变量引用：

• 如果第一个变量的值是第二个变量的名字，从第一个变量引用第二个变量的值就称为间接变量引用

• 实现方法：
  eval tempvar=$$variable1
  tempvar=${!variable1}

（四）创建临时文件 mktemp命令：

• 功能：创建并显示临时文件，可避免冲突

• 语法：
  mktemp [OPTION]... [TEMPLATE]
  TEMPLATE: filename.XXXX，至少要出现三个
  OPTION：
  -d: 创建临时目录
  -p DIR或--tmpdir=DIR：指明临时文件所存放目录位置

（五）安装复制文件 install命令：

• 可以实现文件复制，所有者、所属组修改，权限修改在一条命令中执行

• 语法：
  install [OPTION]... [-T] SOURCE DEST 单文件
  install [OPTION]... SOURCE... DIRECTORY
  install [OPTION]... -t DIRECTORY SOURCE...
  install [OPTION]... -d DIRECTORY...创建空目录

• 选项：
  -m MODE，默认755
  -o OWNER
  -g GROUP

（六）expect命令：

• 功能：实现自动化交互式操作场景

• expect 语法：
  expect [选项] [ -c cmds] [ [ -[f|b] ] cmdfile] [ args ]

• 选项
  -c：从命令行执行expect脚本，expect默认交互式执行
  -d：可以输出调试信息

• expect中相关命令
  spawn：启动新的进程
  send：用于向进程发送字符串
  expect：从进程接收字符串
  interact：允许用户交互
  exp_continue：匹配多个字符串在执行动作后加此命令

• expect最常用的语法（tcl语言:模式-动作）

  • 单一分支模式语法：
    expect “hi” {send “You said hi\n"}
    匹配到hi后，会输出“you said hi”，并换行

  • 多分支模式语法：
    expect "hi" { send "You said hi\n" }
    "hehe" { send “Hehe yourself\n" }
    "bye" { send “Good bye\n" }
    匹配hi,hello,bye任意字符串时，执行相应输出。等同如下：
    expect {
    "hi" { send "You said hi\n"}
    "hehe" { send "Hehe yourself\n"}
    "bye" { send “Good bye\n"}
    }