浅谈 Shell

作者: 越前君 | 来源:发表于2022-06-21 21:41 被阅读0次

配图源自 Freepik

一、前言

通常，用户控制计算机的方式有图形化界面（GUI，Graphical User Interface）和命令行界面（CLI，Command Line Interface）两种。然而，真正能够控制计算机硬件（如 CPU、内存、显示器等）的只有操作系统内核（Kernel）。因此，图形化界面和命令行只是架设在用户和内核之间的一种桥梁。

由于安全、复杂、繁琐等原因，用户不能直接接触内核（也没必要），因此需要开发一个程序。用户直接使用这个程序，程序的作用就是接收用户的操作（输入），进行简单处理，然后传递给内核，这样用户就可以间接使用操作系统了。Shell 就是这样的一个程序。在用户和内核之间增加一层「代理」，既能简化操作，又能保证内核的安全，何乐而不为呢？

因此，Shell 并不是操作系统内核的一部分。

以上内容部分摘自 Shell 是什么。

二、Shell 的含义

Shell 的英文原意是「外壳」，与之相对的是内核（Kernel）。但具体来说，Shell 这个词有多种含义。

Shell 是一个应用程序，提供一个与用户对话的环境，该环境只有一个命令提示符（通常是 $ 或 #），让用户输入命令。这种环境被称为命令行环境（CLI）。Shell 接收到用户输入的命令，将命令传递给操作系统执行，并将结果返回给用户。
Shell 是一个命令解析器，解析用户输入的命令，它支持变量、条件判断、循环操作等语法，所以用户可以用 Shell 写出各种小程序，又被称为脚本（Script）。这些脚本通过 Shell 解析器解析执行，注意不是编译。
Shell 是一个工具箱，提供了各种小工具，供用户方便地使用操作系统的功能。

以上摘自 Bash 简介。

三、Shell 的种类

Shell 又很多种，只要能给用户提供命令行环境的程序，都可以看作是 Shell。在历史上，主要 Shell 有这些：

Bourne Shell（sh）
Bourne Again shell（bash）
C Shell（csh）
TENEX C Shell（tcsh）
Korn shell（ksh）
Z Shell（zsh）
Friendly Interactive Shell（fish）

更详细可看网道和 Wikiwand。目前最常用的 Shell 是 bash。

四、Shell 解析器

各操作系统通常会内置多种 Shell 解析器，且有一个默认的 Shell。比如 Linux 操作系统是 bash，Windows 操作系统是 PowerShell，Mac 操作系统是 bash 或 zsh。

以 macOS 为例，不同版本下其内置默认 Shell 如下：

OS X 10.2 及以下版本默认 Shell 为 csh。

OS X 10.3 ~ macOS 10.14 版本默认 Shell 为 bash。

自 macOS 10.15 起默认 Shell 为 zsh。

关于如何从 bash 切换至 zsh，或者在不修改默认 Shell 的情况下使用其他 Shell，可参考：在 Mac 上将 zsh 用作默认 Shell。

一些命令：

查看当前操作系统默认 Shell

$ echo $SHELL
/bin/zsh

查看当前使用的 Shell（不一定是默认 Shell）

$ ps
  PID TTY           TIME CMD
13766 ttys000    0:00.25 /bin/zsh -l
14879 ttys000    0:04.45 node /usr/local/Cellar/yarn/1.22.19/libexec/bin/yarn.j
14880 ttys000    0:10.75 gulp start --project qualcomm-202206    
14886 ttys000    0:00.06 open -W http://localhost:3000
15495 ttys001    0:00.37 /bin/zsh -l
16701 ttys002    0:00.63 -zsh
18509 ttys003    0:00.26 -zsh

一般来说，ps 命令（显示当前系统的进程状态）结果的「倒数第二行」是当前正在使用的 Shell。

查看当前操作系统的所有的 Shell

$ cat /etc/shells
# List of acceptable shells for chpass(1).
# Ftpd will not allow users to connect who are not using
# one of these shells.

/bin/bash
/bin/csh
/bin/dash
/bin/ksh
/bin/sh
/bin/tcsh
/bin/zsh

进入或退出 Shell

当前我的默认 Shell 是 zsh，如果要进入 bash 环境，执行一些命令，然后再退出。举个例子：

$ bash

The default interactive shell is now zsh.
To update your account to use zsh, please run `chsh -s /bin/zsh`.
For more details, please visit https://support.apple.com/kb/HT208050.
bash-3.2$ echo $NVM_DIR
/Users/frankie/.nvm
bash-3.2$ exit
exit

其中 bash 命令表示进入 bash Shell 环境，echo $NVM_DIR 表示输出 $NVM_DIR 环境变量，然后执行 exit 命令退出 bash Shell 环境。

五、Shell 脚本

脚本（Script）是指包含一系列命令的文本文件。利用 Shell 解析器便可执行的脚本，被称为 Shell 脚本。

举个例子，一个最简单的 Shell 脚本 hello.sh：

#!/bin/bash

echo "Hello Shell"

脚本首行 #! 是一个约定标记（称为 Shebang 行），用于指定执行该脚本的 Shell 解析器，通常是 /bin/bash 或 /bin/sh。

#! 与解析器之间的「空格」可有可无。

文件顶部的 Shebang 行是非必需的。若无，则要在执行脚本时手动指定，比如 /bin/sh ./hello.sh 或 bash ./hello.sh。

若手动指定解析器，那么将会使用所指定的解析器去执行该脚本，而脚本内指定的解析器会被忽略。

Shell 脚本文件的扩展名是非必需的，甚至可以命名为奇奇怪怪的扩展名，不影响脚本的执行。但是...按照习惯通常会命名为 .sh。

但需要注意的是，如果 Shell 解析器并没有放在 /bin，这样脚本叫无法执行了。为了确保稳定性，可以写成这样：

#!/usr/bin/env bash

原因是 env 命令一定是在 /bin/bin 目录下，它返回对应 Shell 解析器的位置。

如果开发过一些 Node 相关工具（比如 vue-cli），你一定看到过这样的 Shebang 行，用于指定解析器为 Node。

#!/usr/bin/env node

也可以观察一下项目的 node_modules/.bin 目录下的所有可执行文件，它们几乎都是以 #!/usr/bin/env node 开头的，其作用是正确地查找对应解析器所在路径，以避免用户没有安装在默认路径下导致无法正常执行脚本的问题。如果你是写 Python 的话，一定见过 #!/usr/bin/env python...

如果平常想要看下 Node 安装目录的话，可以使用 which 命令，比如：

$ which node
/Users/frankie/.nvm/versions/node/v16.15.0/bin/node

六、NPM 脚本与 Shell

在前端项目中，我们通常会在 package.json 中定义一系列的脚本命令，比如：

{
  "scripts": {
    "test": "jest"
  }
}

当我们在终端输入 npm run test 命令时，就可以执行对应的测试脚本。当我们在项目根目录或者用户根目录等路径下直接执行 jest 命令，抛出错误：

$ jest
zsh: command not found: jest

原因是执行命令的当前目录或 PATH（系统环境变量）目录都不存在一个名为 jest 的可执行文件。那么 npm run jest 内部又偷偷做了哪些工作呢，为什么它能准确找到可执行文件 jest 所在的目录呢？

假设我们有一个 my-app 包，如下：

{
  "name": "my-app",
  "version": "1.0.0",
  "bin": {
    "myapp": "./cli.js"
  }
}

其中有一个 bin 字段（详见），表示该包有一个名为 myapp 的可执行文件。在执行 npm install my-app 时，除了将包下载至 node_modules 目录下，还会创建一个 cli.js 文件的软链接（symlink）至 node_modules/.bin 目录，该可执行文件的名称就是对应的键名 myapp。若以 "bin": "./cli.js" 形式配置，名称则为其包名 my-app。若全局安装，则会被链接至全局目录。

以 jest 为例，可执行文件 node_modules/.bin/jest 其实是 node_modules/jest/bin/jest.js 的软链接，因此真正被执行的是后者。

如果 package.json 中定义的命令是这样：

{
  "test": "./node_modules/.bin/jest"
}

或这样：

{
  "test": "./node_modules/jest/bin/jest.js"
}

都非常容易理解，但观感来说，它又长又臭，还丑。那么 { "test": "jest" } 又是如何找到目标可执行文件的呢？

其内在奥秘在于 npm run 命令。当执行此命令时，会创建一个 Shell 子进程，然后在这个 Shell 中执行指定的脚本命令。换句话说，只要是 Shell 可以运行的命令，都可以写在 NPM 脚本里面。

比较特别的是，npm run 创建的 Shell 进程，会将当前目录的 node_modules/.bin 子目录加入到 PATH 环境变量，在执行结束之后，再将 PATH 环境变量恢复原样。

推荐下阮一峰老师的这篇文章：npm scripts 使用指南。

我们来验证下，假设有这样一个项目，且有一个 test.sh 脚本用于输出 PATH 环境变量：

{
  "name": "simple-test",
  "version": "1.0.0",
  "scripts": {
    "test": "source ./test.sh"
  }
}

#!/bin/bash
# test.sh
echo $PATH

其中 source 命令表示执行一个脚本，也可用其简写形式 . 表示，即 . ./test.sh。我们也常用此命令来刷新环境变量，比如 source ~/.zshrc，更多可看文章。

下面为了方便对比，执行前后都输出一下 PATH 环境变量的值：

可以发现，在 npm run 执行期间，PATH 环境变量发生了变化，截图标记部分为临时新增的环境变量，其中包括项目所在路径 simple-test/node_modules/.bin，执行完之后又变为了最初的模样。

至于为什么 simple-test 逐层往上添加 node_modules/.bin 目录，我猜是跟 Node 逐层查找模块有关系，具体没去细究。

因此，我们甚至可以在 bin 字段去声明一些命令：

{
  "name": "simple-test",
  "version": "1.0.0",
  "scripts": {
    "test": "source ./test.sh"
  },
  "bin": {
    "hello": "./hello.sh"
  }
}

然后安装此包后，就可以在 script 中使用 hello 命令了。

七、Shell 配置文件

由于很多高级编程语言，有着丰富的第三方库，因此可选择的配置文件格式有很多，比如 JSON、XML、YAML 等等。对于 Shell 而言，其配置文件多是 key=value 形式的文本文件，等号两边不应有「空格」。

Shell 配置文件本身就是一种特殊的 Shell 脚本，只是没有用 .sh 扩展名而已。前面提到过 Shell 脚本扩展名是非必需的。当 Shell 被启动时，会执行对应 Shell 的配置文件中的命令，通常是配置当前 Shell 的环境，比如 alias、PATH 等。

Shell 配置文件可分为「系统级别」和「用户级别」。当 Shell 启动时，会先执行系统级别的配置文件（如果存在的话），然后再执行用户级别的配置文件（如果存在的话），因此用户级别的配置文件优先级更高。另外，系统级别的配置对所有用户生效，而用户级别仅对当前用户生效，可以理解为继承关系。

系统级别配置文件一般位于 /etc 目录下，比如 /etc/profile、/etc/bashrc 等。

用户级别配置文件一般位于 ~（用户目录）下，比如 ~/.profile、~/.bashrc、~/.bash_profile、~/.zshrc 等，通常是隐藏性文件。

以 macOS 为例，通常修改 Shell 配置都是在用户级别的配置文件上操作，比如 ~/.bash_profile 或 ~/.zshrc，取决于你在使用哪一种 Shell 解析器。

常见 Shell 是如何读取配置的，附一张图，源自 Shell startup scripts：

图中涉及了几个概念 interactive 和 non-interactive、login 和 non-login，分别表示是否为交互式 Shell、是否为登录式 Shell。它们在读取配置文件上会有所区别，比如，非交互式和非登录式的 zsh 不会读取 ~/.zshrc 配置文件。

以下说明，摘自此处：

Login Shell：是指该 Shell 被启动时用于用户登录。
Non-login Shell：是指用户已登录下启动的那些 Shell，被自动执行的 Shell 也属于非登录式 Shell，它们的执行通常与用户登录无关。

Interactive Shell：是指可以让用户通过键盘进行交互的 Shell。平常在使用的 CLI 都是交互式 Shell。
Non-interactive Shell：是指被自动执行的脚本，通常不会请求用户输入，输出也一般会存储在日志文件中。

如果在使用 zsh，可阅读下这篇大而全的配置指引：zsh wiki。

八、环境变量与 Shell 变量

本小节内容大部分摘自文章：设置与查看Linux系统中的环境变量。

在 Linux/Unix 系统中，分为「环境变量」和「Shell 变量」两种变量。它们都是区分大小写的，因此 HOME 和 home 是两个不同的变量。

环境变量：通常在 Shell 配置文件中以 key=value 形式实现，它在整个系统范围内都可用，并被所有子进程和 Shell 继承。通常以大写形式命名，比如 PATH 等。

Shell 变量：专门用于设置或定义它们的 Shell 中的变量，每一种 Shell 解析器都有一组属于自己的内部 Shell 变量。在编写 Shell 脚本时常用于跟踪临时数据。

使用 env 或 printenv 命令（不带其他参数时），可以显示所有环境变量。若查看单个环境变量的值，可以使用 printenv 或 echo 命令。

$ printenv PATH
/Users/frankie/.nvm/versions/node/v16.14.0/bin:/usr/local/sbin:/usr/local/bin:/usr/local/bin:/usr/bin:/bin:/usr/sbin:/sbin

$ echo $PATH
/Users/frankie/.nvm/versions/node/v16.14.0/bin:/usr/local/sbin:/usr/local/bin:/usr/local/bin:/usr/bin:/bin:/usr/sbin:/sbin

echo 命令中的变量名前需要添加前缀 $，否则当做输出一个字符串。

使用 set 命令，可以显示所有变量（包括环境变量和自定义变量），以及所有的 Shell 函数。

8.1 环境变量

单个值的环境变量，形式看起来是这样的：

KEY=value1

如果变量的值中含有空格，则需要将值放在引号中，比如：KEY="value with spaces"。

多个值的环境变量，形式是这样的：

KEY=value1:value2:value3

每个值之间以分号 : 作为分隔符。可以理解为类似于高级编程语言中的数组。

8.2 Shell 变量

Shell 变量声明语法如下：

variable=value

等号左边为「变量名」，右边为变量值，同样地，若变量值含有空格，需要将值放在引号中。需要注意的是，在 Shell 中没有数据类型的概念，所有变量值都是字符串。

Shell 变量除了可以在 Shell 脚本文件中声明、使用，也是可以直接在 Shell 会话中操作的，但是该变量的声明周期仅在会话被销毁之前，而且不能被其他新的 Shell 会话环境中读取。若用浏览器来比喻的话，每个 Shell 会话就是两个标签的应用，应用之间的变量是不可共享的。

比如：

$ myname=frankie
$ echo $myname
frankie

由于用户创建的 Shell 变量，仅可在当前 Shell 中使用，若要传递给子 Shell，需要使用 export 命令。这样输出的变量，对于子 Shell 来说就是环境变量。但注意其他非子 Shell，是不能读取到的。

$ export myname=frankie
$ myage=20
$ bash

The default interactive shell is now zsh.
To update your account to use zsh, please run `chsh -s /bin/zsh`.
For more details, please visit https://support.apple.com/kb/HT208050.
bash-3.2$ echo $myname
frankie
bash-3.2$ echo $myage

bash-3.2$

其他就不展开了，不然就跑偏了，有兴趣可看阮一峰老师的文章：Bash 变量。

8.3 常见变量

常见环境变量：

变量名	含义
USER	当前登录用户。
PWD	当前工作目录。
OLDPWD	上一个工作目录。
PATH	系统查找指令时会检查的目录列表。当用户输入一个指令时，系统将会按此目录列表的顺序检索目录，以寻找相应的可执行文件。
LANG	当前的语言和本地化设置，包括字符编码。
HOME	当前用户的主目录。
SHELL	当前系统的默认 Shell。
TERM	终端类型名，即终端仿真器所用的协议。

常见的 Shell 变量：

变量名	含义
COLUMNS	用于设置绘制到屏幕上的输出信息的宽的列数。
HOSTNAME	主机名。
PS1	命令提示符样式。
PS2	输入多行命令时，命令提示符样式。

8.4 特殊变量

变量名	含义
`$?`	上一个命令的退出码，用于判断上一个命令是否执行成功。返回值为 `0` 表示命令执行成功，否则执行失败。
`$$`	当前 Shell 的进程 ID。
`$_`	上一个命令的最后一个参数。
`$!`	最近一个后台执行的异步命令的进程 ID。
`$0`	在 CLI 直接执行时，表示当前 Shell 的名称。在 Shell 脚本执行时，表示当前脚本名称。
`$@`、`$#`	`$@` 表示脚本的参数值；`$#` 表示脚本的参数数量。

8.5 变量持久化

若不希望每次启动新的 Shell 会话时，都必须重新设置重要的变量，则需要将变量写入配置文件中。以 macOS 为例，最常见的是配置文件是 ~/.bash_profile 或 ~/.zshrc，具体取决于你的使用了哪一种 Shell 解析器，请参考前面的第七节内容。

比如我在 ~/.zshrc 中配置 nvm 的目录，可以添加这样一行配置：

export NVM_DIR="$HOME/.nvm"

其中 $HOME 本身就是一个环境变量（表示当前用户主目录），假设我的主目录是 /Users/frankie，那么变量 NVM_DIR 的值就是 /Users/frankie/.nvm。

平常配置最多的可能是 PATH 变量，假设安装了一个工具 A，然后需要配置该工具的可执行文件 aaa 的路径（假设为 ~/.aaa/bin），可以这样：

export PATH=$PATH:$HOME/.aaa/bin

如此 /Users/frankie/.aaa/bin 就会被添加至环境变量 PATH 中，这样我们就可以在任何目录下执行 aaa 命令了。

记得配置完，要使用类似 source ~/.zshrc 的命令刷新变量，使其在已启动的 Shell 进程中生效，否则只在新打开的 Shell 进程中生效。因为每次启动一个新的 Shell 进程都会先读取对应的 Shell 配置文件，然后这个刷新命令本质上就是执行了一个 Shell 脚本而已，这些内容在前一节提到过了。

未完待续...