shell 基础知识

从 shell 谈起

“shell”，本意指（坚果、蛋类、贝类等）坚硬的外壳，在计算机科学中，特别是在类 Unix 系统（如 Linux、macOS）领域，是一个核心概念。它本质上是一种特殊的应用程序，充当用户与操作系统内核（Kernel）之间的命令解释器（Command Interpreter）。（同时也有 Linux 内核的一个外层保护工具的说法，“坚硬的外壳”）

用户通过文本命令行界面（CLI）输入命令。shell 程序负责接收这些命令，解析其语法和语义，将其转换为操作系统内核能够理解和执行的操作指令，并管理命令的执行过程（包括输入/输出重定向、管道连接、后台运行等）。当需要自动化执行一系列命令时，用户可以将这些命令以及必要的控制逻辑（如条件判断、循环）编写成一个文本文件，称为 shell 脚本（shell Script），然后交由相应的 shell 程序解释执行。

存在多种不同的 shell 程序实现，每一种都定义了自己的命令解释语法和脚本语言。其中比较流行的包括：

• Bourne shell (sh) - 经典 Unix shell
• C shell (csh)
• Korn shell (ksh)
• Bourne Again shell (bash) - 目前大多数 Linux 发行版的默认 shell
• Z shell (zsh) - macOS Catalina (10.15) 及之后版本的默认 shell
• Fish shell (fish)
• Almquist shell (dash / ash) - 常用于轻量级系统或作为 /bin/sh 的替代

聊聊 Bash

Bash 是什么？

Bash (Bourne-Again Shell) 是 GNU 项目开发的一个 shell 程序，旨在兼容并扩展传统的 Bourne shell (sh)。它曾经是大多数 Linux 发行版和旧版本 macOS (Catalina 之前) 的默认交互式 shell 和脚本解释器。

Bash 是一个遵循 POSIX 标准的 Unix shell 和命令语言解释器。

Bash 的主要特点和增强包括：

• 高度兼容传统的 Bourne shell (sh)。
• 强大的命令行编辑功能（如历史命令回查 history、命令补全 Tab）。
• 支持数组变量。
• 更丰富的条件测试和流程控制语法（如 [[ ]] 条件判断）。
• 改进的变量处理机制（如变量扩展 ${var}）。
• 内置命令集丰富。

理解 Bash shell 的角色与语言

需要明确的是，不同的 shell 程序（如 Bash, Zsh, Fish, Dash）虽然共享一些基本概念和核心语法（特别是基于 Bourne shell 的），但它们在具体功能、扩展语法、配置方式以及脚本兼容性上存在差异。因此，在编写脚本或输入复杂的命令时，了解当前正在使用的是哪一种具体的 shell 实现非常重要。

用户通常笼统地称他们编写的自动化命令文件为 “shell 脚本”。从广义上讲，这指的是使用某种 shell 语言编写的脚本。更严谨的说法是指明具体的 shell 类型，例如 “Bash 脚本”、“Zsh 脚本” 或 “POSIX shell 脚本”（指仅使用标准 sh 特性的脚本）。这类似于区分 “Python 代码” 和 “Java 代码”，虽然都是“源码”，但语言不同。

核心理解：

• shell 程序（如 Bash）本身就是一个应用程序。 它的核心功能是读取用户的输入（命令或脚本），解释并执行它们。
• shell 语言 是用户与 shell 程序交互时所遵循的语法规则。它定义了如何组合命令、使用变量、进行流程控制等。
• Bash 作为最广泛使用的 shell 程序之一，实现了 Bash shell 语言。这种语言使得用户能够通过编写命令和脚本，高效地调用操作系统功能、管理文件和进程、组合实用程序以及实现自动化任务。

简言之：Bash 是一个实现了 Bash shell 语言的程序，其设计目标是为用户提供一个强大的命令行环境和脚本解释能力，用于与操作系统交互和执行任务。

Bash shell 的工作方式

• 交互模式

  交互模式下，Bash shell 会等待用户发出命令然后再执行他们。Bash 会执行用户的每一条命令，且在它执行这条命令的期间，你将无法和 bash shell 交互。一旦它执行完这条命令，你就可以继续向它发出你的下一条指令。

• 非交互模式

  Bash shell 也可以执行脚本。所谓脚本，就是提前写好的一系列指令，Bash 可以直接执行它们而无需停下来询问用户下一步要做什么。脚本通常以文件形式保存，多用来自动化执行各种任务。

除了 Bash 执行的命令来源不同，这两种模式非常相似。现在基本可以这样总结：如果 Bash 等待你给出执行任务的指令，你就处于交互模式中；如果它执行的是存在某文件中的指令，那它就是在非交互模式下运行一个脚本。

Bash 程序运行于基于文本的界面，本身不提供图形用户界面（GUI），因此用户必须通过终端（terminal）与其进行交互。现代终端通常是终端模拟器，即运行在图形界面中的软件程序，它们模拟传统物理终端，提供文本输入输出功能。

终端模拟器的选择依赖于操作系统：

• Linux/BSD：
  • 常见选项包括：rxvt、xterm、gnome-terminal、konsole。
• macOS：
  • 可使用：Terminal.app 或 iTerm2。
• Windows：
  • 可用程序包括：cmd.exe、Console2、mintty 等。

选择一个你喜欢的终端模拟器并启动它，是开始与 Bash 进行有效交互的第一步。

当用户在图形界面中打开终端模拟器时，会弹出一个窗口，展示程序的输入与输出。窗口内的文本既有运行在终端中的各类程序输出的结果，也有你通过键盘输入的命令。需要强调的是，负责在屏幕上渲染文本的是终端模拟器，而非 Bash；终端读取来自 Bash（或其他程序）的文本，并将其显示在窗口中。终端同样为邮件客户端、聊天工具等基于文本的程序提供渲染功能，与 Bash 无关。

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终端模拟器内往往同时运行多个程序，它们通过输入输出流相互协作，却缺乏直观的可视化提示。因此，了解进程何时启动、如何通信以及何时终止，对清晰把握基于文本的用户界面尤为重要。

下面以本地与远程交互为例：

1. 在本地终端中，你启动 Bash，然后通过 SSH 发起到远程主机（例如 IP 为 192.168.1.1）的连接。
2. 远程主机上，会新建一个 Bash 进程，其输入输出通过网络隧道回传到本地终端。
3. 在远程 Bash 中，你启动了 screen（终端复用器），它能够在同一个终端窗口内模拟多个子终端，通过快捷键切换或分屏并行查看。
4. 在 screen 的一个子终端中，再启动一个 Bash，并运行邮件程序（如 mail），输入邮件内容。

其中，“文本”在计算机科学中通常称为“字符串”，即由字符序列组成的数据结构。字符串既可以是简短的姓名（例如 “Leonard Cohen”），也可以是多行诗歌。

那么，程序究竟是什么？以及它们如何通信？

• 程序：预先编写并存储在磁盘上的指令集合。操作系统的内核负责加载并执行程序指令。
• 进程：当内核运行某个程序时，会为其创建一个进程实例，该实例包含程序的指令和内存空间。多个同一程序的进程可以并行运行，彼此互不干扰。

• 文件描述符（file descriptor, FD）：进程用来连接外部资源（文件、设备、其他进程）的整数标识符。

  • FD 0：标准输入（stdin），默认与终端接收的键盘输入相连；
  • FD 1：标准输出（stdout），默认与终端显示相连；
  • FD 2：标准错误（stderr），也默认与终端显示相连；
  • 进程可根据需要创建新的 FD，并将其重定向至文件、管道或套接字。

当一个程序需要将输出传递给另一个程序时，会请求内核将其 stdout 重定向到目标进程的 stdin，形成管道（pipe）。此时，一方的输出流在内核中链接至另一方的输入流，字节按顺序到达并被读取，无法倒转。读取后字节会从管道中移除，流继续前行。

例如，对以下 Bash 脚本：

#!/usr/bin/env bash
$ (echo "Your name?" >&2; read name; echo "$name" ) | ( while read name; do echo "Hello, $name"; done )
Your name?
Maarten Billemont
Hello, Maarten Billemont

这条 Bash 命令通过两个子 shell 和管道连接实现交互流程：左侧子 shell 使用 echo “Your name?” >&2 将提示信息重定向到标准错误输出（stderr），避免干扰标准输出（stdout）；随后读取用户输入并将其通过 stdout 传给右侧子 shell；右侧子 shell 从标准输入（stdin）读取该数据并输出个性化问候语。