linux下shell的工作原理
2009-12-8 10:19:53 出處：https://www.yqdown.com
shell是使用者和Linux作業系統之間的接口。Linux中有多種shell，其中預設運用
的是Bash。本章講述了shell的工作原理，shell的種類，shell的一般操作及Bash的特征
。 shell是使用者和Linux作業系統之間的接口。Linux中有多種shell，其中預設運用
的是Bash。本章講述了shell的工作原理，shell的種類，shell的一般操作及Bash的特征
。
什麼是shell
Linux系統的shell作為作業系統的外殼，為使用者提供運用
作業系統的接口。它是指令語言、指令解釋程式及程式設計語言的統稱。
shell是使用者和Linux核心之間的接口程式，如果把Linux核心想象成一個球體的中心，shell就是圍繞核心的外層。當從shell或其他程式向Linux傳遞指令時，核心會做出相應的反應。
shell是一個指令語言解釋器，它擁有自己内建的shell指令集，shell也可以
被系統中其他使用
程式所調用。使用者在提示符下輸入的指令都由shell先解釋然後傳給Linux核心。
有一些指令，比如改動
工作目錄指令cd，是包含在shell内部的。還有一些指令，例如拷貝指令cp和移動指令rm，是存在于檔案系統中某個目錄下的單獨的程式。對使用者而言，不必關心一個指令是建立在shell内部還是一個單獨的程式。
shell首先檢查指令能不能
是内部指令，若不是再檢查能不能
是一個使用
程式(這裡的使用
程式可以是Linux本身的實用程式，如ls和rm，也可以是購買的商業程式，如xv，或者是自由軟體，如emacs)。然後shell在搜尋路徑裡尋找這些使用
程式(搜尋路徑就是一個能找到可執行程式的目錄清單)。如果鍵入的指令不是一個内部指令并且在路徑裡沒有找到這個可執行檔案，将會顯示一條不正确
資訊。如果能夠成功找到指令，該内部指令或使用
程式将被分解為系統調用并傳給Linux核心。
shell的另一個主要
特征
是它自身就是一個解釋型的程式設計語言，shell程式設計語言支援絕大多數在進階語言中能見到的程式元素，如函數、變量、數組和程式控制結構。shell程式設計語言基本
易學，任何在提示符中能鍵入的指令都能放到一個可執行的shell程式中。
當普通使用者成功登入，系統将執行一個稱為shell的程式。正是shell程序提供了指令行提示符。作為預設值(TurboLinux系統預設的shell是BASH)，對普通使用者用“$”作提示符，對超級使用者(root)用“#”作提示符。
一旦出現了shell提示符，就可以鍵入指令名稱及指令所須要
的參數。shell将執行這些指令。如果一條指令花費了很長的時間來運作，或者在螢幕上産生了大量的輸出，可以從鍵盤上按ctrl+c發出中斷信号來中斷它(在正常結束之前，中止它的執行)。
當使用者準備結束登入對話程序時，可以鍵入logout指令、exit指令或檔案結束符(EOF)(按ctrl+d實作)，結束登入。
我們來實習一下shell是如何
工作的。
$ make work
make:***No rule to make target ‘work’. Stop.
$
注釋：make是系統中一個指令的名字，後面跟着指令參數。在接收到這個指令後，shell便執行它。本例中，由于輸入的指令參數不正确，系統傳回資訊後停止該指令的執行。
在例子中，shell會尋找名為make的程式，并以work為參數執行它。make是一個經常被用來編譯大程式的程式，它以參數作為目标來執行
編譯。在 “make work”中，make編譯的目标是work。因為make找不到以work為名字的目标，它便給出不正确
資訊表示運作失敗，使用者又回到系統提示符下。
另外，使用者鍵入有關指令行後，如果shell找不到以其中的指令名為名字的程式，就會給出不正确
資訊。例如，如果使用者鍵入：
$ myprog
bash:myprog:command not found
$
可以看到，使用者得到了一個沒有找到該指令的不正确
資訊。使用者敲錯指令後，系統一般會給出這樣的不正确
資訊。
shell的種類
Linux中的shell有多種類型，其中最常用的幾種是Bourne shell(sh)、C shell(csh)和Korn shell(ksh)。三種shell各有優缺點。Bourne shell是UNIX最初運用
的shell，并且在每種UNIX上都可以運用
。Bourne shell在shell程式設計方面相當優秀，但在處理與使用者的互動方面做得不如其他幾種shell。Linux作業系統預設的shell是Bourne Again shell，它是Bourne shell的擴充，簡稱Bash，與Bourne shell完全向後相容，并且在Bourne shell的基礎上添加
、增強了很多特征
。Bash放在/bin/bash中，它有許多特色，可以提供如指令補全、指令編輯和指令曆史表等功能，它還包含了很多C shell和Korn shell中的優點，有靈活和強大的程式設計接口，同時又有很友好的使用者界面。
C shell是一種比Bourne shell更适于程式設計的shell，它的文法與C語言很相似。 Linux為喜歡運用
C shell的人提供了Tcsh。Tcsh是C shell的一個擴充版本。Tcsh包括指令行編輯、可程式設計單詞補全、拼寫校正、曆史指令替換、作業控制和類似C語言的文法，它不僅和Bash shell是提示符相容，而且還提供比Bash shell更多的提示符參數。
Korn shell集合了C shell和Bourne shell的優點并且和Bourne shell完全相容。Linux系統提供了pdksh(ksh的擴充)，它支援任務控制，可以在指令行上挂起、背景執行、喚醒或終止程式。
Linux并沒有冷落其他shell使用者，還包括了一些流行的shell如ash、zsh等。每個shell都有它的用途，有些shell是有專利的，有些能從Internet網上或其他來源獲得。要決定運用
哪個shell，隻需讀一下各種shell的聯機幫助，并試用一下。
使用者在登入到Linux時由/etc/passwd檔案來決定要運用
哪個shell。例如：
# fgrep lisa /etc/passwd
lisa:x:500:500:TurboLinux User:/home/lisa:/bin/bash
shell被列每行的末尾(/bin/bash)。
由于Bash是Linux上預設的shell，本章主要介紹Bash及其有關
知識。
shell指令
指令行c
使用者登入到Linux系統時，可以看到一個shell提示符，辨別了指令行的開始。使用者可以在提示符後面輸入任何指令及參數。例如：
$ date
二 11 23 01:34:58 CST 1999
$
使用者登入時，實際進入了shell，它遵循一定的文法将輸入的指令加以解釋并傳給系統。指令行中輸入的第一個字必須是一個指令的名字，第二個字是指令的選項或參數，指令行中的每個字必須由空格或TAB隔開，格式如下：
$ Command Option Arguments
1. 選項和參數
選項是包括一個或多個字母的代碼，它前面有一個減号(減号是必要的，Linux用它來差別選項和參數)，選項可用于改動
指令執行的動作的類型。例如：
$ ls
motd passwd
$
這是沒有選項的ls指令，可列出目前目錄中所有檔案，隻列出各個檔案的名字，而不顯示其他更多的資訊。
$ ls -l
total 2
-rw-r--r-- 2 wzh book 22 Apr 20 20:37 motd
-rw-r--r-- 2 wzh book 796 Apr 20 20:37 passwd
$
加入-l選項，将會為每個檔案列出一行資訊，諸如資料大小和資料最後被修改的時間。
大多數指令都被設計為可以接納參數。參數是在指令行中的選項之後鍵入的一個或多個單詞，例如：
$ ls -l text
-rw-r--r-- 2 wzh book 22 Apr 20 20:37 motd
-rw-r--r-- 2 wzh book 796 Apr 20 20:37 passwd
$
将顯示text目錄下的所有檔案及其資訊。
有些指令，如ls可以帶參數，而有一些指令可能須要
一些最小數目的參數。例如，cp指令至少須要
兩個參數，如果參數的數目與指令要求不符，shell将會給出出錯資訊。例如：
$ cp -i mydata newdata
留心
：指令行中選項先于參數輸入。
2. 指令行特征
指令行實際上是可以編輯的一個文本緩沖區，在按回車之前，可以對輸入的文本執行
編輯。比如運用
BACKSPACE鍵可以删除剛鍵入的字元，可以執行
整行删除，還可以插入字元，使得使用者在輸入指令，尤其是複雜指令時，若出現鍵入不正确
，無須重新輸入整個指令，隻要運用
編輯操作，即可改正不正确
。
運用
上箭頭可以重新顯示剛執行的指令，運用
這一功能可以重複執行以前執行過的指令，而無須重新鍵入該指令。
bash儲存着以前鍵入過的指令的清單，這一清單被稱為指令曆史表。按動上箭頭，便可以在指令行上逐次顯示各條指令。同樣，按動下箭頭可以在指令清單中向下移動，這樣可以将以前的各條指令顯示在指令行上，使用者可以修改并執行這些指令。這一特征将在10.4節中執行
細緻
的論述。
在一個指令行中還可以置入多個指令，用分号将各個指令隔開。例如：
$ ls -F;cp -i mydata newdata
也可以在多個
指令行中輸入一個指令，用反斜杠将一個指令行持續到下一行。
$ cp –i
mydata
newdata
上面的cp指令是在三行中輸入的，開始的兩行以反斜杠結束，把三行作為一個指令行。
shell中的特殊字元
shell中除運用
普通字元外，還可以運用
一些具有特殊意思
和功能的特殊字元。在運用
它們時應留心
其特殊的意思
和作用範圍。下面分别對這些特殊字元加以介紹。
1. 通配符
通配符用于模式比對，如檔案名比對、路經名搜尋、字元串查找等。常用的通配符有*、?和括在方括号［ ］中的字元序列。使用者可以在作為指令參數的檔案名中包含這些通配符，構成一個所謂的“模式串”，在執行流程
中執行
模式比對。
* 代表任何字元串(長度可以不等)，例如：“f*”比對以f打頭的任意字元串。但應留心
，檔案名前的圓點(.)和路經名中的斜線(/)必須顯式比對。例如“*”不能比對.file，而“.*”才可以比對.file。
? 代表任何單個字元。
［］ 代表指定的一個字元範圍，隻要檔案名中［］位置處的字元在［］中指定的範圍之内，那麼這個檔案名就與這個模式串比對。方括号中的字元範圍可以由直接給出的字元組成，也可以由表示限定範圍的起始字元、終止字元及中間的連字元(-)組成。例如，f ［a- d］ 與f ［abcd］的作用相同。Shell将把與指令行中指定的模式串相比對的所有檔案名都作為指令的參數，形成最終的指令，然後再執行這個指令。
下面我們給出表10-1說明這些通配符的具體意思
。
表10-1 通配符意思
舉例
模式串
意 義
*
目前目錄下所有檔案的名稱。
*Text*
目前目錄下所有檔案名中包含有Text的檔案的名稱。
［ab-dm］*
目前目錄下所有以a、b、c、d、m開頭的檔案的名稱。
［ab-dm］?
目前目錄下所有以a、b、c、d、m開頭且後面隻跟有一個字元的檔案的名稱。
/usr/bin/??
目錄/usr/bin下所有名稱為兩個字元的檔案的名稱。
特别須要
留心
的是，連字元“-”僅在方括号内有效，表示字元範圍，如在方括号外面就成為普通字元了。而*和?隻在方括号外面是通配符，若出現在方括号之内，它們也失去通配符的能力，成為普通字元了。例如，模式“- a［*?］abc”中隻有一對方括号是通配符，*和?均為普通字元，是以，它比對的字元串隻能是- a*abc和- a?abc。
最後說明一下運用
通配符時須要
留心
的一些疑問
。由于*、?和［］對于shell來說具有比較特殊的意義，是以在正常的檔案名中不應出現這些字元。特别是在目錄名中不要出現它們，否則Shell比對起來可能會無窮的遞歸下去。另外要留心
的一點是：如果目錄中沒有與指定的模式串相比對的檔案名，那麼Shell 将運用
此模式串本身作為參數傳給有關指令。這可能就是指令中出現特殊字元的原由
所在。
2. 引号
在shell中引号分為三種：單引号，雙引号和反引号。
* 單引号 ‘
由單引号括起來的字元都作為普通字元出現。特殊字元用單引号括起來以後，也會失去原有意義，而隻作為普通字元解釋。例如：
$ string=’$PATH’
$ echo $string
$PATH
$
可見$保持了其本身的意思
，作為普通字元出現。
* 雙引号 “
由雙引号括起來的字元，除$、、’、和”這多個
字元仍是特殊字元并保留其特殊功能外，其餘字元仍作為普通字元對待。對于$來說，就是用其後指定的變量的值來代替這個變量和$；對于而言，是轉義字元，它告訴shell不要對其後面的那個字元執行
特殊處理，隻當作普通字元即可。可以想見，在雙引号中須要
在前面加上的隻有四個字元$，，’和”本身。而對”号，若其前面沒有加，則Shell會将它同前一個”号比對。
例如，我們假定PATH的值為.:/usr/bin:/bin，輸入如下指令：
$ TestString＝”$PATH”$PATH”
$ echo $TestString
.:/usr/bin:/ bin”$PATH
$
讀者可以自己試一下在第二個雙引号之前不加會産生什麼結果。
* 反引号 `
反引号(`)這個字元所對應的鍵一般位于鍵盤的左上角，不要将其同單引号(’)混淆。反引号括起來的字元串被shell解釋為指令行，在執行時，shell首先執行該指令行，并以它的标準輸出結果取代整個反引号(包括兩個反引号)部分。例如：
$ pwd
/home/xyz
$ string=”current directory is `pwd`”
$ echo $string
current directour is /home/xyz
$
shell執行echo指令時，首先執行`pwd`中的指令pwd，并将輸出結果/home/xyz取代`pwd`這部分，最後輸出替換後的整個結果。
運用
反引号的這種功能可以執行
指令置換，即把反引号括起來的執行結果指派給指定變量。例如：
$ today=`date`
$ echo Today is $today
Today is Mon Apr 15 16:20:13 CST 1999
$
反引号還可以嵌套運用
。但需留心
，嵌套運用
時内層的反引号必須用反斜線()将其轉義。例如：
$ abc=`echo The number of users is `who wc-l``
$ echo $abc
The number of users is 5
$
在反引号之間的指令行中也可以運用
shell的特殊字元。Shell為得到``中指令的結果，它實際上要去執行``中指定的指令。執行時，指令中的特殊字元，如$，”，?等又将具有特殊意思
，并且``所包含的可以是任何一個正當
的Shell指令，如：
$ ls
note readme.txt Notice Unix.dir
$ TestString＝”`echo $HOME ` ` ls ［nN］*`”
$ echo $TestString
/home/yxz note Notice
$
其他情況，讀者可自行試之。
1. 注釋符
在shell程式設計中經常要對某些正文行執行
注釋，以添加
程式的可讀性。在Shell中以字元“#”開頭的正文行表示注釋行。
此外還有一些特殊字元如：用于輸入/輸出重定向與管道的<、>、<<、> >和；執行背景指令的&；指令執行操作符&&和及表示指令組的{}将在下面各小節中加以介紹。
标準輸入/輸出和重定向
1. 标準輸入與輸出
我們知道，執行一個shell指令行時通常會自動打開三個标準檔案，即标準輸入檔案(stdin)，通常對應終端的鍵盤；标準輸出檔案(stdout)和标準不正确
輸出檔案(stderr)，這兩個檔案都對應終端的螢幕。程序将從标準輸入檔案中得到輸入資料，将正常輸出資料輸出到标準輸出檔案，而将不正确
資訊送到标準不正确
檔案中。
我們以cat指令為例，cat指令的功能是從指令行給出的檔案中讀取資料，并将這些資料直接送到标準輸出。若運用
如下指令：
$ cat config
将會把檔案config的内容依次顯示到螢幕上。但是，如果cat的指令行中沒有參數，它就會從标準輸入中讀取資料，并将其送到标準輸出。例如：
$ cat
Hello world
Hello world
Bye
Bye
<ctrl+d>
$
使用者輸入的每一行都立刻被cat指令輸出到螢幕上。
另一個例子，指令sort按行讀入檔案正文(當指令行中沒有給出檔案名時，表示從标準輸入讀入)，将其排序，并将結果送到标準輸出。下面的例子是從标準輸入讀入一個采購單，并将其排序。
$ sort
bananas
carrots
apples
<ctrl+d>
apples
bananas
carrots
$
這時我們在螢幕上得到了已排序的采購單。
直接運用
标準輸入/輸出檔案存在以下疑問
：
輸入資料從終端輸入時，使用者費了半天勁輸入的資料隻能用一次。下次再想用這些資料時就得重新輸入。而且在終端上輸入時，若輸入有誤修改起來不是很友善。
輸出到終端螢幕上的資訊隻能看不能動。我們不能
對此輸出作更多處理，如将輸出作為另一指令的輸入執行
進一步的處理等。
為了處理
上述疑問
，Linux系統為輸入、輸出的傳送引入了另外兩種機制，即輸入/輸出重定向和管道。
2. 輸入重定向
輸入重定向是指把指令(或可執行程式)的标準輸入重定向到指定的檔案中。也就是說，輸入可以不來自鍵盤，而來自一個指定的檔案。是以說，輸入重定向主要用于改動
一個指令的輸入源，特别是改動
那些須要
大量輸入的輸入源。
例如，指令wc統計指定檔案包含的行數、單詞數和字元數。如果僅在指令行上鍵入：
$ wc
wc将等待使用者告訴它統計什麼，這時shell就好象死了一樣，從鍵盤鍵入的所有文本都出現在螢幕上，但并沒有什麼結果，直至按下＜ctrl+d＞，wc才将指令結果寫在螢幕上。
如果給出一個檔案名作為wc指令的參數，如下例所示，wc将傳回該檔案所包含的行數、單詞數和字元數。
$ wc /etc/passwd
20 23 726 /etc/passwd
$
另一種把/etc/passwd檔案内容傳給wc指令的要領
是重定向wc的輸入。輸入重定向的一般形式為：指令<檔案名。可以用下面的指令把wc指令的輸入重定向為/etc/passwd檔案：
$ wc < /etc/passwd
20 23 726
$
另一種輸入重定向稱為here文檔，它告訴shell目前指令的标準輸入來自指令行。here文檔的重定向操作符運用
<<。它将一對分隔符(本例中用delim表示)之間的正文重定向輸入給指令。下例将一對分隔符delim之間的正文作為wc指令的輸入，統計出正文的行數、單詞數和字元數。
$ wc<<delim
>this text forms the content
>of the here document，which
>continues until the end of
>text delimter
>delim
4 17 98
在<<操作符後面，任何字元都可以作為正文開始前的分隔符，本例中運用
delim作為分隔符。here文檔的正文一直延續到遇見另一個分隔符為止。第二個分隔符應出現在新行的開頭。這時here文檔的正文(不包括開始和結束的分隔符)将重新定向送給指令wc作為它的标準輸入。
由于大多數指令都以參數的形式在指令行上指定輸入檔案的檔案名，是以輸入重定向并不經常運用
。盡管如此，當要運用
一個不接受檔案名作為輸入參數的指令，而須要
的輸入内容又存在一個檔案裡時，就能用輸入重定向處理
疑問
。
1. 輸出重定向
輸出重定向是指把指令(或可執行程式)的标準輸出或标準不正确
輸出重新定向到指定檔案中。這樣，該指令的輸出就不顯示在螢幕上，而是寫入到指定檔案中。
輸出重定向比輸入重定向更常用，很多情況下都可以運用
這種功能。例如，如果某個指令的輸出很多，在螢幕上不能完全顯示，那麼将輸出重定向到一個檔案中，然後再用文本編輯器打開這個檔案，就可以檢視輸出資訊；如果想儲存一個指令的輸出，也可以運用
這種要領
。還有，輸出重定向可以用于把一個指令的輸出當作另一個指令的輸入(還有一種更基本
的要領
，就是運用
管道，将在下面介紹)。
輸出重定向的一般形式為：指令>檔案名。例如：
$ ls > directory.out
$ cat directory.out
ch1.doc ch2.doc ch3.doc chimp config mail/ test/
$
将ls指令的輸出儲存為一個名為directory.out的檔案。
注：如果>符号後邊的檔案已存在，那麼這個檔案将被重寫。
為防止
輸出重定向中指定檔案隻能存放目前指令的輸出重定向的内容，shell提供了輸出重定向的一種追加手段。輸出追加重定向與輸出重定向的功能非常相似，差別僅在于輸出追加重定向的功能是把指令(或可執行程式)的輸出結果追加到指定檔案的最後，而該檔案原有内容不被破壞。
如果要将一條指令的輸出結果追加到指定檔案的後面，可以運用
追加重定向操作符>>。形式為：指令>>檔案名。例如：
$ ls *.doc>>directory.out
$ cat directory.out
ch1.doc ch2.doc ch3.doc chimp config mail/ test/
ch1.doc ch2.doc ch3.doc
$
和程式的标準輸出重定向一樣，程式的不正确
輸出也可以重新定向。運用
符号2>(或追加符号2>>)表示對不正确
輸出裝置重定向。例如下面的指令：
$ ls /usr/tmp 2> err.file
可在螢幕上看到程式的正常輸出結果，但又将程式的任何不正确
資訊送到檔案err.file中，以備将來檢查用。
還可以運用
另一個輸出重定向操作符(&>)将标準輸出和不正确
輸出同時送到同一檔案中。例如：
$ ls /usr/tmp &> output.file
運用
重定向将指令組合在一起，可實作系統單個指令不能提供的新功能。例如運用
下面的指令序列：
$ ls /usr/bin > /tmp/dir
$ wc –w < /tmp/dir
459
統計了/usr/bin目錄下的檔案個數。
管 道
将一個程式或指令的輸出作為另一個程式或指令的輸入，有兩種要領
，一種是通過一個臨時檔案将兩個指令或程式結合在一起，例如上個例子中的/tmp/dir檔案将ls和wc指令聯在一起；另一種是Linux所提供的管道功能。這種要領
比前一種要領
更好。
管道可以把一系列指令連接配接起來，這意味着第一個指令的輸出會作為第二個指令的輸入通過管道傳給第二個指令，第二個指令的輸出又會作為第三個指令的輸入，以此類推。顯示在螢幕上的是管道行中最後一個指令的輸出(如果指令行中未運用
輸出重定向)。
通過運用
管道符“”來建立一個管道行。用管道重寫上面的例子：
$ ls /usr/binwc -w
1789
再如：
$ cat sample.txtgrep "High"wc -l
管道将cat指令(列出一個檔案的内容)的輸出送給grep指令。grep指令在輸入裡查找單詞High，grep指令的輸出則是所有包含單詞High的行，這個輸出又被送給wc指令，wc指令統計出輸入中的行數。假設sample.txt檔案的内容如下：
Things to do today:
Low:Go grocery shopping
High:Return movie
High:Clear level 3 in Alien vs. Predator
Medium:Pick up clothes from dry cleaner
那麼該管道行的結果是2。
指令替換
指令替換和重定向有些相似，但差別在于指令替換是将一個指令的輸出作為另外一個指令的參數。常用指令格式為：
command1 `command2`
其中，command2的輸出将作為command1的參數。須要
留心
的是這裡的`符号，被它括起來的内容将作為指令執行，執行後的結果作為command1的參數。例如：
$ cd `pwd`
該指令将pwd指令列出的目錄作為cd指令的參數，結果仍然是停留在目前目錄下
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