Linux下shell的工作原理

Linux下shell的工作原理


shell是使用者和Linux操作系統之間的介面。Linux中有多種shell，其中預設使用的是Bash。本章講述了shell的工作原理，shell的種類，shell的一般操作及Bash的特性。
　　
shell是使用者和Linux操作系統之間的介面。Linux中有多種shell，其中預設使用的是Bash。本章講述了shell的工作原理，shell的種類，shell的一般操作及Bash的特性。

什麼是shell

Linux系統的shell作為操作系統的外殼，為使用者提供使用操作系統的介面。它是指令語系、指令解釋程式及程式設計語系的統稱。

shell是使用者和Linux內核之間的介面程式，如果把Linux內核想像成一個球體的中心，shell就是圍繞內核的外層。當從shell或其他程式向Linux傳遞指令時，內核會做出相應的反應。

shell是一個指令語系直譯器，它擁有自己內建的shell指令集，shell也能被系統中其他應用程式所呼叫。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，比如改變工作目錄指令cd，是包括在shell內定的。還有一些指令，例如複製指令cp和搬移指令rm，是存在於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內定還是一個單獨的程式。

shell首先檢查指令是否是內定指令，若不是再檢查是否是一個應用程式（這裡的應用程式可以是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，或是是自由軟體，如emacs）。然後shell在搜尋路徑裡尋找這些應用程式（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內定指令並且在路徑裡沒有找到這個可執行檔案，將會顯示一條錯誤訊息。如果能夠完成找到指令，該內定指令或應用程式將被分解為系統呼叫並傳給Linux內核。

shell的另一個重要特性是它自身就是一個解釋型的程式設計語系，shell程式設計語系支援絕大多數在進階語系中能見到的程式元素，如函數、變量、陣列和程式控制結構。shell寫程式語系簡單易學，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。

當普通使用者完成登入，系統將執行一個稱為shell的程式。正是shell程式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需要的參數。shell將執行這些指令。如果一條指令花費了很長的時間來運行，或是在螢幕上產生了大量的輸出，可以從鍵盤上按ctrl+c發出中斷信號來中斷它（在標準結束之前，中止它的執行）。

當使用者準備結束登入對話程式時，可以鍵入logout指令、exit指令或檔案結束符（EOF）（按ctrl+d實現），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.
$

注解：make是系統中一個指令的名字，後面跟著指令參數。在接收到這個指令後，shell便執行它。本例中，由於輸入的指令參數不正確，系統返回訊息後停止該指令的執行。

在例子中，shell會尋找名為make的程式，並以work為參數執行它。make是一個經常被用來編譯大程式的程式，它以參數作為目的來進行編譯。在 「make work」中，make編譯的目的是work。因為make找不到以work為名字的目的，它便給出錯誤訊息表示運行失敗，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，就會給出錯誤訊息。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錯誤訊息。使用者敲錯指令後，系統一般會給出這樣的錯誤訊息。

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最初使用的shell，並且在每種UNIX上都可以使用。Bourne shell在shell寫程式方面相當優秀，但在處理與使用者的互動方面做得不如其他幾種shell。Linux操作系統預設的shell是Bourne Again shell，它是Bourne shell的延伸，簡稱Bash，與Bourne shell完全向後相容，並且在Bourne shell的基礎上增加、增強了很多特性。Bash放在/bin/bash中，它有許多特色，可以提供如指令補全、指令編輯和指令歷史表等功能，它還包括了很多C shell和Korn shell中的優點，有靈活和強大的寫程式介面，同時又有很友好的使用者介面。

C shell是一種比Bourne shell更適於寫程式的shell，它的語法與C語系很相似。 Linux為喜歡使用C shell的人提供了Tcsh。Tcsh是C shell的一個延伸版本。Tcsh內含指令行編輯、可寫程式單詞補全、拼字校正、歷史指令取代、作業控制和類似C語系的語法，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的優點並且和Bourne shell完全相容。Linux系統提供了pdksh（ksh的延伸），它支援任務控制，可以在指令行上掛起、後台執行、喚醒或終止程式。

Linux並沒有冷落其他shell使用者，還內含了一些流行的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。要決定使用哪個shell，只需讀一下各種shell的聯機說明，並試用一下。

使用者在登入到Linux時由/etc/passwd檔案來決定要使用哪個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）。

由於Bash是Linux上預設的shell，本章主要介紹Bash及其關聯知識。

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，標識了指令行的開始。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，它遵循一定的語法將輸入的指令加以解釋並傳給系統。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
選項是內含一個或多個字母的代碼，它前面有一個減號（減號是必要的，Linux用它來區別選項和參數），選項可用於改變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，可列出現用的目錄中所有檔案，只列出各個檔案的名字，而不顯示其他更多的訊息。

$ 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，將會為每個檔案列出一行訊息，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
$
將顯示text目錄下的所有檔案及其訊息。

有些指令，如ls可以帶參數，而有一些指令可能需要一些最小數目的參數。例如，cp指令至少需要兩個參數，如果參數的數目與指令要求不符，shell將會給出出錯訊息。例如：

$ cp -i mydata newdata
注意：指令行中選項先於參數輸入。

2. 指令行特徵
指令行實際上是可以編輯的一個文字緩沖區，在按換行之前，可以對輸入的文字進行編輯。比如利用BACKSPACE鍵可以刪除剛鍵入的字元，可以進行整行刪除，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，若出現鍵入錯誤，無須重新輸入整個指令，只要利用編輯操作，即可改正錯誤。

利用上箭頭可以重新顯示剛執行的指令，利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儲存著以前鍵入過的指令的清單，這一清單被稱為指令歷史表。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搬移，這樣可以將以前的各條指令顯示在指令行上，使用者可以修改並執行這些指令。這一特徵將在10.4節中進行詳細的論述。

在一個指令行中還可以置入多個指令，用分號將各個指令隔開。例如：

$ ls -F;cp -i mydata newdata

也可以在幾個指令行中輸入一個指令，用反斜槓將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，開始的兩行以反斜槓結束，把三行作為一個指令行。

shell中的特殊字元

shell中除使用普通字元外，還可以使用一些具有特殊含義和功能的特殊字元。在使用它們時應注意其特殊的含義和作用範圍。下面分別對這些特殊字元加以介紹。

1. 通配符
通配符用於模式符合，如檔名符合、路經名搜尋、字串搜尋等。常用的通配符有*、?和括在方括號〔 〕中的字元序列。使用者可以在作為指令參數的檔名中包括這些通配符，構成一個所謂的「模式串」，在執行過程中進行模式符合。

* 代表任何字串（長度可以不等），例如：「f*」符合以f打頭的任意字串。但應注意，檔名前的圓點（.）和路經名中的斜線（/）必須顯式符合。例如「*」不能符合.file，而「.*」才可以符合.file。

? 代表任何單個字元。
〔〕 代表特殊的一個字元範圍，只要檔名中〔〕位置處的字元在〔〕中特殊的範圍之內，那麼這個檔名就與這個模式串符合。方括號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將把與指令行中特殊的模式串相符合的所有檔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含義。
表10-1　通配符含義舉例

模式串

意 義

*
現用的目錄下所有檔案的名稱。
 
*Text*
現用的目錄下所有檔名中包括有Text的檔案的名稱。
 
〔ab-dm〕*
現用的目錄下所有以a、b、c、d、m開頭的檔案的名稱。
 
〔ab-dm〕?
現用的目錄下所有以a、b、c、d、m開頭且後面只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。

特別需要注意的是，連字元「-」僅在方括號內有效，表示字元範圍，如在方括號外面就成為普通字元了。而*和?只在方括號外面是通配符，若出現在方括號之內，它們也失去通配符的能力，成為普通字元了。例如，模式「- a〔*?〕abc」中只有一對方括號是通配符，*和?均為普通字元，因此，它符合的字串只能是- a*abc和- a?abc。

最後說明一下使用通配符時需要注意的一些問題。由於*、?和〔〕對於shell來說具有比較特殊的意義，因此在標準的檔名中不應出現這些字元。特別是在目錄名中不要出現它們，否則Shell符合起來可能會無窮的遞歸下去。另外要注意的一點是：如果目錄中沒有與特殊的模式串相符合的檔名，那麼Shell 將使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因所在。

2. 引號
在shell中引號分為三種：單引號，雙引號和反引號。

* 單引號 『

由單引號括起來的字元都作為普通字元出現。特殊字元用單引號括起來以後，也會失去原有意義，而只作為普通字元解釋。例如：

$ string=』$PATH』
$ echo $string
$PATH
$

可見$保持了其本身的含義，作為普通字元出現。

* 雙引號 「

由雙引號括起來的字元，除$、、』、和」這幾個字元仍是特殊字元並保留其特殊功能外，其餘字元仍作為普通字元對待。對於$來說，就是用其後特殊的變量的值來代替這個變量和$；對於而言，是轉義字元，它告訴shell不要對其後面的那個字元進行特殊處理，只當作普通字元即可。可以想見，在雙引號中需要在前面加上的只有四個字元$，，』和」本身。而對」號，若其前面沒有加，則Shell會將它同前一個」號符合。
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號之前不加會產生什麼結果。

* 反引號 `

反引號（`）這個字元所對應的鍵一般位於鍵盤的左上角，不要將其同單引號（』）混淆。反引號括起來的字串被shell解釋為指令行，在執行時，shell首先執行該指令行，並以它的標準輸出結果取代整個反引號（內含兩個反引號）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，並將輸出結果/home/xyz取代`pwd`這部分，最後輸出取代後的整個結果。

利用反引號的這種功能可以進行指令置換，即把反引號括起來的執行結果賦值給指定變量。例如：

$ today=`date`
$ echo Today is $today
Today is Mon Apr 15 16:20:13 CST 1999
$

反引號還可以嵌套使用。但需注意，嵌套使用時內層的反引號必須用反斜線（）將其轉義。例如：

$ abc=`echo The number of users is `who| wc-l``
$ echo $abc
The number of users is 5
$

在反引號之間的指令行中也可以使用shell的特殊字元。Shell為得到``中指令的結果，它實際上要去執行``中特殊的指令。執行時，指令中的特殊字元，如$，」，?等又將具有特殊含義，並且``所包括的可以是任何一個合法的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. 注解符

在shell寫程式中經常要對某些正文行進行注解，以增加程式的可讀性。在Shell中以字元「#」開頭的正文行表示注解行。

此外還有一些特殊字元如：用於輸入/輸出重定向與管道的、 >和|；執行後台指令的&；指令執行操作符&&和||及表示指令組的{}將在下面各小節中加以介紹。

標準輸入/輸出和重定向

1. 標準輸入與輸出
我們知道，執行一個shell指令行時通常會自動開啟三個標準檔案，即標準輸入檔案（stdin），通常對應終端的鍵盤；標準輸出檔案（stdout）和標準錯誤輸出檔案（stderr），這兩個檔案都對應終端的螢幕。程式將從標準輸入檔案中得到輸入資料，將標準輸出資料輸出到標準輸出檔案，而將錯誤訊息送到標準錯誤檔案中。

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，並將這些資料直接送到標準輸出。若使用如下指令：

$ cat config

將會把檔案config的內容依次顯示到螢幕上。但是，如果cat的指令行中沒有參數，它就會從標準輸入中讀取資料，並將其送到標準輸出。例如：

$ cat
Hello world
Hello world
Bye
Bye

$

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名時，表示從標準輸入讀入），將其排序，並將結果送到標準輸出。下面的例子是從標準輸入讀入一個採購單，並將其排序。

$ sort
bananas
carrots
apples

apples
bananas
carrots
$

這時我們在螢幕上得到了已排序的採購單。

直接使用標準輸入/輸出檔案存在以下問題：
輸入資料從終端輸入時，使用者費了半天勁輸入的資料只能用一次。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方便。

輸出到終端螢幕上的訊息只能看不能動。我們無法對此輸出作更多處理，如將輸出作為另一指令的輸入進行進一步的處理等。

為了解決上述問題，Linux系統為輸入、輸出的傳輸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）的標準輸入重導至特殊的檔案中。也就是說，輸入可以不來自鍵盤，而來自一個特殊的檔案。所以說，輸入重定向主要用於改變一個指令的輸入源，特別是改變那些需要大量輸入的輸入源。

例如，指令wc統計指定檔案包括的行數、單詞數和字元數。如果僅在指令行上鍵入：

$ wc

wc將等待使用者告訴它統計什麼，這時shell就好像死了一樣，從鍵盤鍵入的所有文字都出現在螢幕上，但並沒有什麼結果，直至按下＜ctrl+d＞，wc才將指令結果寫在螢幕上。

如果給出一個檔名作為wc指令的參數，如下例所示，wc將返回該檔案所包括的行數、單詞數和字元數。

$ wc /etc/passwd
20 23 726 /etc/passwd
$

另一種把/etc/passwd檔案內容傳給wc指令的方法是重定向wc的輸入。
輸入重定向的一般形式為：
指令this text forms the content

>of the here document，which
>continues until the end of
>text delimter
>delim
4 17 98

在檔名。例如：

$ ls > directory.out
$ cat directory.out
ch1.doc ch2.doc ch3.doc chimp config mail/ test/
$

將ls指令的輸出儲存為一個名為directory.out的檔案。

註：如果>符號後邊的檔案已存在，那麼這個檔案將被重寫。

為避免輸出重定向中指定檔案只能存放現用的指令的輸出重定向的內容，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，區別僅在於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，而該檔案原有內容不被破壞。

如果要將一條指令的輸出結果追加到指定檔案的後面，可以使用追加重定向操作符>>。形式為：
指令>>檔名。
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
$

和程式的標準輸出重定向一樣，程式的錯誤輸出也可以重新定向。使用符號2>（或追加符號2>>）表示對錯誤輸出裝置重定向。例如下面的指令：

$ ls /usr/tmp 2> err.file

可在螢幕上看到程式的標準輸出結果，但又將程式的任何錯誤訊息送到檔案err.file中，以備將來檢查用。

還可以使用另一個輸出重定向操作符（&>）將標準輸出和錯誤輸出同時送到同一檔案中。例如：

$ ls /usr/tmp &> output.file

利用重定向將指令組合在一起，可實現系統單個指令不能提供的新功能。例如使用下面的指令序列：

$ ls /usr/bin > /tmp/dir
$ wc –w




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