八、Shell编程

作者: 木鱼_cc | 来源:发表于2018-07-27 23:19 被阅读112次

搭配《linux就该这样学》第四章内容

1.shell历史

Shell的作用是解释执行用户的命令，用户输入一条命令，Shell就解释执行一条，这种方式称为交互式（Interactive），Shell还有一种执行命令的方式称为批处（Batch），用户事先写一个Shell脚本（Script），其中有很多条命令，让Shell一次把这些命令执行完，而不必一条一条地敲命令。Shell脚本和编程语言很相似，也有变量和流程控制语句，但Shell脚本是解释执行的，不需要编译，Shell程序从脚本中一行一行读取并执行这些命令，相当于一个用户把脚本中的命令一行行敲到Shell提示符下执行。

由于历史原因，UNIX系统上有很多种Shell：

sh（Bourne Shell）：由Steve Bourne开发，各种UNIX系统都配有sh。
csh（C Shell）：由Bill Joy开发，随BSD UNIX发布，它的流程控制语句很像C语言，支持很多Bourne Shell所不支持的功能：作业控制，命令历史，命令行编辑。
ksh（Korn Shell）：由David Korn开发，向后兼容sh的功能，并且添加了csh引入的新功能，是目前很多UNIX系统标准配置的Shell，在这些系统上/bin/sh往往是指向/bin/ksh的符号链接。
tcsh（TENEX C Shell）：是csh的增强版本，引入了命令补全等功能，在FreeBSD、Mac OS X等系统上替代了csh。
bash（Bourne Again Shell）：由GNU开发的Shell，主要目标是与POSIX标准保持一致，同时兼顾对sh的兼容，bash从csh和ksh借鉴了很多功能，是各种Linux发行版标准配置的Shell，在Linux系统上/bin/sh往往是指向/bin/bash的符号链接。虽然如此，bash和sh还是有很多不同的，一方面，bash扩展了一些命令和参数，另一方面，bash并不完全和sh兼容，有些行为并不一致，所以bash需要模拟sh的行为：当我们通过sh这个程序名启动bash时，bash可以假装自己是sh，不认扩展的命令，并且行为与sh保持一致。

vim /etc/passwd
其中最后一列显示了用户对应的shell类型
root:x:0:0:root:/root:/bin/bash
nobody:x:65534:65534:nobody:/nonexistent:/bin/sh
syslog:x:101:103::/home/syslog:/bin/false
myusr:x:1000:1000:itcast,,,:/home/itcast:/bin/bash
ftp:x:115:125:ftp daemon,,,:/srv/ftp:/bin/false

2.执行脚本

编写一个简单的脚本test.sh：

#! /bin/sh
cd ..
ls

Shell脚本中用#表示注释，相当于C语言的//注释。但如果#位于第一行开头，并且是#!（称为Shebang）则例外，它表示该脚本使用后面指定的解释器/bin/sh解释执行。如果把这个脚本文件加上可执行权限然后执行：

chmod a+x test.sh
./test.sh

Shell会fork一个子进程并调用exec执行./test.sh这个程序，exec系统调用应该把子进程的代码段替换成./test.sh程序的代码段，并从它的_start开始执行。然而test.sh是个文本文件，根本没有代码段和_start函数，怎么办呢？其实exec还有另外一种机制，如果要执行的是一个文本文件，并且第一行用Shebang指定了解释器，则用解释器程序的代码段替换当前进程，并且从解释器的_start开始执行，而这个文本文件被当作命令行参数传给解释器。因此，执行上述脚本相当于执行程序

$ /bin/sh ./test.sh

以这种方式执行不需要test.sh文件具有可执行权限。
如果将命令行下输入的命令用()括号括起来，那么也会fork出一个子Shell执行小括号中的命令，一行中可以输入由分号;隔开的多个命令，比如：

$ (cd ..;ls -l)

3.基本语法

3.1变量

按照惯例，Shell变量由全大写字母加下划线组成，有两种类型的Shell变量：

环境变量
环境变量可以从父进程传给子进程，因此Shell进程的环境变量可以从当前Shell进程传给fork出来的子进程。用printenv命令可以显示当前Shell进程的环境变量。

本地变量
只存在于当前Shell进程，用set命令可以显示当前Shell进程中定义的所有变量（包括本地变量和环境变量）和函数。

环境变量是任何进程都有的概念，而本地变量是Shell特有的概念。在Shell中，环境变量和本地变量的定义和用法相似。在Shell中定义或赋值一个变量：
$ VARNAME=value
注意等号两边都不能有空格，否则会被Shell解释成命令和命令行参数。

一个变量定义后仅存在于当前Shell进程，它是本地变量，用export命令可以把本地变量导出为环境变量，定义和导出环境变量通常可以一步完成：
$ export VARNAME=value

也可以分两步完成：

$ VARNAME=value
$ export VARNAME

用unset命令可以删除已定义的环境变量或本地变量。
itcast$ unset VARNAME

注意，在定义变量时不用，取变量值时要用。和C语言不同的是，Shell变量不需要明确定义类型，事实上Shell变量的值都是字符串，比如我们定义VAR=45，其实VAR的值是字符串45而非整数。Shell变量不需要先定义后使用，如果对一个没有定义的变量取值，则值为空字符串。

3.2文件名代换（Globbing）：* ? []

这些用于匹配的字符称为通配符（Wildcard），具体如下：

通配符
* 匹配0个或多个任意字符
? 匹配一个任意字符
[若干字符] 匹配方括号中任意一个字符的一次出现
$ ls /dev/ttyS*
$ ls ch0?.doc
$ ls ch0[0-2].doc
$ ls ch[012] [0-9].doc

注意，Globbing所匹配的文件名是由Shell展开的，也就是说在参数还没传给程序之前已经展开了，比如上述ls ch0[012].doc命令，如果当前目录下有ch00.doc和ch02.doc，则传给ls命令的参数实际上是这两个文件名，而不是一个匹配字符串。

3.3命令代换：‘ 或$()

由’‘’反引号括起来的也是一条命令，Shell先执行该命令，然后将输出结果立刻代换到当前命令行中。例如定义一个变量存放date命令的输出：

DATE=`date`
echo $DATE
DATE=$(date)

PS:注意区分' '和" "和` `的却别

3.4算术代换：$(())

用于算术计算，(())中的Shell变量取值将转换成整数，同样含义的[]等价例如：

$ VAR=45
$ echo $(($VAR+3))
$(())中只能用+-*/和()运算符，并且只能做整数运算。

$[base#n],其中base表示进制,n按照base进制解释，后面再有运算数，按十进制解释。
echo $[2#10+11]
echo $[8#10+11]
echo $[10#10+11]

3.5转义字符

和C语言类似，\在Shell中被用作转义字符，用于去除紧跟其后的单个字符的特殊意义（回车除外），换句话说，紧跟其后的字符取字面值。例如：

$ echo $SHELL
/bin/bash
$ echo \$SHELL
$SHELL
$ echo \\
\

比如创建一个文件名为“”的文件可以这样：
$ touch \$\ \$
还有一个字符虽然不具有特殊含义，但是要用它做文件名也很麻烦，就是 - 号。如果要创建一个文件名以 - 号开头的文件，这样是不行的：

$ touch -hello
touch: invalid option -- h
Try `touch --help` for more information.
即使加上\转义也还是报错：
$ touch \-hello
touch: invalid option -- h
Try `touch --help` for more information.

因为各种UNIX命令都把-号开头的命令行参数当作命令的选项，而不会当作文件名。如果非要处理以-号开头的文件名，可以有两种办法：
itcast$ touch ./-hello
或者
itcast$ touch -- -hello

3.6单引号

和C语言不一样，Shell脚本中的单引号和双引号一样都是字符串的界定符（双引号下一节介绍），而不是字符的界定符。单引号用于保持引号内所有字符的字面值，即使引号内的\和回车也不例外，但是字符串中不能出现单引号。如果引号没有配对就输入回车，Shell会给出续行提示符，要求用户把引号配上对。例如：

$ echo '$SHELL'
$SHELL
$ echo 'ABC\（回车）
> DE'（再按一次回车结束命令）
ABC\
DE

3.7双引号

被双引号用括住的内容，将被视为单一字串。它防止通配符扩展，但允许变量扩展。这点与单引号的处理方式不同

$ DATE=$(date)
$ echo "$DATE"
$ echo '$DATE'

4.Shell脚本语法

命令test或[可以测试一个条件是否成立，如果测试结果为真，则该命令的Exit Status为0，如果测试结果为假，则命令的Exit Status为1（注意与C语言的逻辑表示正好相反）。例如测试两个数的大小关系：

$ var=2
$ test $var -gt 1
$ echo $?
0

$ test $var -gt 3
$ echo $?
1

$ [ $var -gt 3 ]
$ echo $?
1

虽然看起来很奇怪，但左方括号[确实是一个命令的名字，传给命令的各参数之间应该用空格隔开，比如，$VAR、-gt、3、]是[命令的四个参数，它们之间必须用空格隔开。命令test或[的参数形式是相同的，只不过test命令不需要]参数。以[命令为例，常见的测试命令如下表所示：

[ -d DIR ] 如果DIR存在并且是一个目录则为真
[ -f FILE ] 如果FILE存在且是一个普通文件则为真
[ -z STRING ] 如果STRING的长度为零则为真
[ -n STRING ] 如果STRING的长度非零则为真
[ STRING1 = STRING2 ] 如果两个字符串相同则为真
[ STRING1 != STRING2 ] 如果字符串不相同则为真
[ ARG1 OP ARG2 ] ARG1和ARG2应该是整数或者取值为整数的变量，OP是-eq（等于）-ne（不等于）-
lt（小于）-le（小于等于）-gt（大于）-ge（大于等于）之中的一个

和C语言类似，测试条件之间还可以做与、或、非逻辑运算：

带与、或、非的测试命令
[ ! EXPR ] EXPR可以是上表中的任意一种测试条件，!表示逻辑反
[ EXPR1 -a EXPR2 ] EXPR1和EXPR2可以是上表中的任意一种测试条件，-a表示逻辑与
[ EXPR1 -o EXPR2 ] EXPR1和EXPR2可以是上表中的任意一种测试条件，-o表示逻辑或

例如：

$ VAR=abc
$ [ -d Desktop -a $VAR = 'abc' ]
$ echo $?
0

注意，如果上例中的$VAR变量事先没有定义，则被Shell展开为空字符串，会造成测试条件的语法错误（展开为[ -d Desktop -a = ‘abc’ ]），作为一种好的Shell编程习惯，应该总是把变量取值放在双引号之中（展开为[ -d Desktop -a “” = ‘abc’ ]）：

$ unset VAR
$ [ -d Desktop -a $VAR = 'abc' ]
bash: [: too many arguments
$ [ -d Desktop -a "$VAR" = 'abc' ]
$ echo $?
1

4.2if/then/elif/else/fi

和C语言类似，在Shell中用if、then、elif、else、fi这几条命令实现分支控制。这种流程控制语句本质上也是由若干条Shell命令组成的，例如先前讲过的

if [ -f ~/.bashrc ]; then
. ~/.bashrc
fi

其实是三条命令，if [ -f /.bashrc ]是第一条，then . /.bashrc是第二条，fi是第三条。如果两条命令写在同一行则需要用;号隔开，一行只写一条命令就不需要写;号了，另外，then后面有换行，但这条命令没写完，Shell会自动续行，把下一行接在then后面当作一条命令处理。和[命令一样，要注意命令和各参数之间必须用空格隔开。if命令的参数组成一条子命令，如果该子命令的Exit Status为0（表示真），则执行then后面的子命令，如果Exit Status非0（表示假），则执行elif、else或者fi后面的子命令。if后面的子命令通常是测试命令，但也可以是其它命令。Shell脚本没有{}括号，所以用fi表示if语句块的结束。见下例：

#! /bin/sh
if [ -f /bin/bash ]
then echo "/bin/bash is a file"
else echo "/bin/bash is NOT a file"
fi
if :; then echo "always true"; fi

:是一个特殊的命令，称为空命令，该命令不做任何事，但Exit Status总是真。此外，也可以执行/bin/true或/bin/false得到真或假的Exit Status。再看一个例子：

#! /bin/sh
echo "Is it morning? Please answer yes or no."
read YES_OR_NO
if [ "$YES_OR_NO" = "yes" ]; then
echo "Good morning!"
elif [ "$YES_OR_NO" = "no" ]; then
echo "Good afternoon!"
else
echo "Sorry, $YES_OR_NO not recognized. Enter yes or no."
exit 1
fi
exit 0

上例中的read命令的作用是等待用户输入一行字符串，将该字符串存到一个Shell变量中。

此外，Shell还提供了&&和||语法，和C语言类似，具有Short-circuit特性，很多Shell脚本喜欢写成这样：

test "$(whoami)" != 'root' && (echo you are using a non-privileged account; exit 1)

&&相当于“if…then…”，而||相当于“if not…then…”。&&和||用于连接两个命令，而上面讲的-a和-o仅用于在测试表达式中连接两个测试条件，要注意它们的区别，例如，

test "$VAR" -gt 1 -a "$VAR" -lt 3

和以下写法是等价的

test "$VAR" -gt 1 && test "$VAR" -lt 3

4.3case/esac

case命令可类比C语言的switch/case语句，esac表示case语句块的结束。C语言的case只能匹配整型或字符型常量表达式，而Shell脚本的case可以匹配字符串和通配符(wildcard)，每个匹配分支可以有若干条命令，末尾必须以;;结束，执行时找到第一个匹配的分支并执行相应的命令，然后直接跳到esac之后，不需要像C语言一样用break跳出。

#! /bin/sh
echo "Is it morning? Please answer yes or no."
read YES_OR_NO
case "$YES_OR_NO" in
yes|y|Yes|YES)   #只有右小括号！！！
echo "Good Morning!";;
[nN]*)           #只有右小括号！！！
echo "Good Afternoon!";;
*)               #只有右小括号！！！
echo "Sorry, $YES_OR_NO not recognized. Enter yes or no."
exit 1;;
esac
exit 0

使用case语句的例子可以在系统服务的脚本目录/etc/init.d中找到。这个目录下的脚本大多具有这种形式（以/etc/init.d/nfs-kernel-server为例）：

case "$1" in
start)
...
;;
stop)
...
;;
reload | force-reload)
...
;;
restart)
...
*)
log_success_msg "Usage: nfs-kernel-server {start|stop|status|reload|force-reload|restart}"
exit 1
;;
esac

启动nfs-kernel-server服务的命令是

$ sudo /etc/init.d/nfs-kernel-server start

$1是一个特殊变量，在执行脚本时自动取值为第一个命令行参数，也就是start，所以进入start)分支执行相关的命令。同理，命令行参数指定为stop、reload或restart可以进入其它分支执行停止服务、重新加载配置文件或重新启动服务的相关命令。

4.4for/do/done

Shell脚本的for循环结构和C语言很不一样，它类似于某些编程语言的for each循环。例如：

#! /bin/sh
for FRUIT in apple banana pear; do
echo "I like $FRUIT"
done

FRUIT是一个循环变量，第一次循环$FRUIT的取值是apple，第二次取值是banana，第三次取值是pear。
再比如，要将当前目录下的chap0、chap1、chap2等文件名改为chap0~、chap1~、chap2~等（按惯例，末尾有~字符的文件名表示临时文件），这个命令可以这样写：

$ for FILENAME in chap?; do mv $FILENAME $FILENAME~; done

也可以这样写：

$ for FILENAME in `ls chap?`; do mv $FILENAME $FILENAME~; done

4.5 while/do/done

while的用法和C语言类似。比如一个验证密码的脚本：

#! /bin/sh
echo "Enter password:"
read TRY
while [ "$TRY" != "secret" ]; do
echo "Sorry, try again"
read TRY
done

下面的例子通过算术运算控制循环的次数：

#! /bin/sh
COUNTER=1
while [ "$COUNTER" -lt 10 ]; do
echo "Here we go again"
COUNTER=$(($COUNTER+1))
done

4.6 位置参数和特殊变量

有很多特殊变量是被Shell自动赋值的，我们已经遇到了 $?和$ 1，现在总结一下：
常用的位置参数和特殊变量

$0 相当于C语言main函数的argv[0]
$1、$2... 这些称为位置参数（Positional Parameter），相当于C语言main函数的argv[1]、argv[2]...
$# 相当于C语言main函数的argc - 1，注意这里的#后面不表示注释
$@ 表示参数列表"$1" "$2" ...，例如可以用在for循环中的in后面。
$* 表示参数列表"$1" "$2" ...，同上
$? 上一条命令的Exit Status
$$ 当前进程号

位置参数可以用shift命令左移。比如shift 3表示原来的 $4现在变成$ 1，原来的 $5现在变成$ 2等等，原来的 $1、$ 2、 $3丢弃，$ 0不移动。不带参数的shift命令相当于shift 1。例如：

#! /bin/sh
echo "The program $0 is now running"
echo "The first parameter is $1"
echo "The second parameter is $2"
echo "The parameter list is $@"
shift
echo "The first parameter is $1"
echo "The second parameter is $2"
echo "The parameter list is $@"

4.7shell输入输出

echo echo显示文本行或变量，或者把字符串输入到文件。

echo [option] string
-e 解析转义字符
-n 不回车换行。默认情况echo回显的内容后面跟一个回车换行。
echo "hello\n\n"
echo -e "hello\n\n"
echo "hello"
echo -n "hello"

管道| 可以通过管道把一个命令的输出传递给另一个命令做输入。管道用竖线表示。

cat myfile | more
ls -l | grep "myfile"
df -k | awk '{print $1}' | grep -v "文件系统"
df -k 查看磁盘空间，找到第一列，去除“文件系统”，并输出

文件重定向

cmd > file 把标准输出重定向到新文件中
cmd >> file 追加
cmd > file 2>&1 标准出错也重定向到1所指向的file里
cmd >> file 2>&1
cmd < file1 > file2 输入输出都定向到文件里
cmd < &fd 把文件描述符fd作为标准输入
cmd > &fd 把文件描述符fd作为标准输出
cmd < &- 关闭标准输入

4.8函数

和C语言类似，Shell中也有函数的概念，但是函数定义中没有返回值也没有参数列表。例如：

#! /bin/sh
foo(){ echo "Function foo is called";}
echo "-=start=-"
foo
echo "-=end=-"

注意函数体的左花括号’{‘和后面的命令之间必须有空格或换行，如果将最后一条命令和右花括号’}’写在同一行，命令末尾必须有;号。

在定义foo()函数时并不执行函数体中的命令，就像定义变量一样，只是给foo这个名字一个定义，到后面调用foo函数的时候（注意Shell中的函数调用不写括号）才执行函数体中的命令。Shell脚本中的函数必须先定义后调用，一般把函数定义都写在脚本的前面，把函数调用和其它命令写在脚本的最后（类似C语言中的main函数，这才是整个脚本实际开始执行命令的地方）。

Shell函数没有参数列表并不表示不能传参数，事实上，函数就像是迷你脚本，调用函数时可以传任意个参数，在函数内同样是用$0、$1、$2等变量来提取参数，函数中的位置参数相当于函数的局部变量，改变这些变量并不会影响函数外面的$0、$1、$2等变量。函数中可以用return命令返回，如果return后面跟一个数字则表示函数的Exit Status。

下面这个脚本可以一次创建多个目录，各目录名通过命令行参数传入，脚本逐个测试各目录是否存在，如果目录不存在，首先打印信息然后试着创建该目录。

#! /bin/sh
is_directory()
{
  DIR_NAME=$1
  if [ ! -d $DIR_NAME ]; then
    return 1
  else
     return 0
  fi
}

for DIR in "$@"; do
  if is_directory "$DIR"
  then :
  else
    echo "$DIR doesn't exist. Creating it now..."
    mkdir $DIR > /dev/null 2>&1
    if [ $? -ne 0 ]; then
        echo "Cannot create directory $DIR"
        exit 1
    fi
  fi
done
注意is_directory()返回0表示真返回1表示假。

5.Shell脚本的调试方法

Shell提供了一些用于调试脚本的选项，如下所示：
-n
读一遍脚本中的命令但不执行，用于检查脚本中的语法错误

-v
一边执行脚本，一边将执行过的脚本命令打印到标准错误输出

-x
提供跟踪执行信息，将执行的每一条命令和结果依次打印出来
使用这些选项有三种方法，一是在命令行提供参数

$ sh -x ./script.sh
#! /bin/sh -x

第三种方法是在脚本中用set命令启用或禁用参数

#! /bin/sh
if [ -z "$1" ]; then
  set -x
  echo "ERROR: Insufficient Args."
  exit 1
  set +x
fi

set -x和set +x分别表示启用和禁用-x参数，这样可以只对脚本中的某一段进行跟踪调试。