Shell基礎(一)

Shell簡介

現在使用的操作系統(Windows、Mac OS、Android、iOS 等)都是帶圖形界面的,簡單直觀,容易上手。然而在計算機的早期並沒有圖形界面,只能通過一個一個地命令來控制計算機,這些命令有成百上千之多,且不說記住這些命令非常困難,每天面對沒有任何色彩的“黑屏”本身就是一件枯燥的事情;這個時候的計算機還遠遠談不上炫酷和普及,只有專業人員才能使用。

對於圖形界面,用戶點擊某個圖標就能啓動某個程序;對於命令行,用戶輸入某個程序的名字(可以看做一個命令)就能啓動某個程序。這兩者的基本過程都是類似的,都需要查找程序在硬盤上的安裝位置,然後將它們加載到內存運行。換句話說,圖形界面和命令行要達到的目的是一樣的,都是讓用戶控制計算機。然而,真正能夠控制計算機硬件(CPU、內存、顯示器等)的只有操作系統內核(Kernel),圖形界面和命令行只是架設在用戶和內核之間的一座橋樑。由於安全、複雜、繁瑣等原因,用戶不能直接接觸內核(也沒有必要),需要另外再開發一個程序,讓用戶直接使用這個程序;該程序的作用就是接收用戶的操作(點擊圖標、輸入命令),並進行簡單的處理,然後再傳遞給內核,這樣用戶就能間接地使用操作系統內核了。用戶界面和命令行就是這個另外開發的程序,就是這層“代理”。

在Linux下,這個命令行程序叫做 Shell。Shell 是一個應用程序,它連接了用戶和 Linux 內核,讓用戶能夠更加高效、安全、低成本地使用 Linux 內核,這就是 Shell 的本質。Shell 本身並不是內核的一部分,它只是站在內核的基礎上編寫的一個應用程序,它和 QQ、迅雷、Firefox 等其它軟件沒有什麼區別。然而 Shell 也有着它的特殊性,就是開機立馬啓動,並呈現在用戶面前;用戶通過 Shell 來使用 Linux,不啓動 Shell 的話,用戶就沒辦法使用 Linux。

1. Shell連接用戶和內核的方式

Shell 能夠接收用戶輸入的命令,並對命令進行處理,處理完畢後再將結果反饋給用戶,比如輸出到顯示器、寫入到文件等,這就是大部分讀者對 Shell 的認知。你看,我一直都在使用 Shell,哪有使用內核哦?我也沒有看到 Shell 將我和內核連接起來呀?!

其實,Shell 程序本身的功能是很弱的,比如文件操作、輸入輸出、進程管理等都得依賴內核。我們運行一個命令,大部分情況下 Shell 都會去調用內核暴露出來的接口,這就是在使用內核,只是這個過程被 Shell 隱藏了起來,它自己在背後默默進行,我們看不到而已。

接口其實就是一個一個的函數,使用內核就是調用這些函數。這就是使用內核的全部內容了嗎?嗯,是的!除了函數,你沒有別的途徑使用內核。

比如,我們都知道在 Shell 中輸入cat log.txt命令就可以查看 log.txt 文件中的內容,然而,log.txt 放在磁盤的哪個位置?分成了幾個數據塊?在哪裏開始?在哪裏終止?如何操作探頭讀取它?這些底層細節 Shell 統統不知道的,它只能去調用內核提供的 open() 和 read() 函數,告訴內核我要讀取 log.txt 文件,請幫助我,然後內核就乖乖地按照 Shell 的吩咐去讀取文件了,並將讀取到的文件內容交給 Shell,最後再由 Shell 呈現給用戶(其實呈現到顯示器上還得依賴內核)。整個過程中 Shell 就是一個“中間商”,它在用戶和內核之間“倒賣”數據,只是用戶不知道罷了。

2. Shell連接其他程序的方式

在 Shell 中輸入的命令,有一部分是 Shell 本身自帶的,這叫做內置命令;有一部分是其它的應用程序(一個程序就是一個命令),這叫做外部命令。

Shell 本身支持的命令並不多,功能也有限,但是 Shell 可以調用其他的程序,每個程序就是一個命令,這使得 Shell 命令的數量可以無限擴展,其結果就是 Shell 的功能非常強大,完全能夠勝任 Linux 的日常管理工作,如文本或字符串檢索、文件的查找或創建、大規模軟件的自動部署、更改系統設置、監控服務器性能、發送報警郵件、抓取網頁內容、壓縮文件等。

更加驚訝的是,Shell 還可以讓多個外部程序發生連接,在它們之間很方便地傳遞數據,也就是把一個程序的輸出結果傳遞給另一個程序作爲輸入。

大家所說的 Shell 強大,並不是 Shell 本身功能豐富,而是它擅長使用和組織其他的程序。Shell 就是一個領導者,這正是 Shell 的魅力所在。

可以將 Shell 在整個 Linux 系統中的地位描述成下圖所示的樣子。注意“用戶”和“其它應用程序”是通過虛線連接的,因爲用戶啓動 Linux 後直接面對的是 Shell,通過 Shell 才能運行其它的應用程序。

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3. Shell支持編程

Shell 並不是簡單的堆砌命令,我們還可以在 Shell 中編程,這和使用 C++、C#、Java、Python等常見的編程語言並沒有什麼兩樣。Shell 雖然沒有 C++、Java、Python 等強大,但也支持了基本的編程元素,例如:

  • if…else 選擇結構,case…in 開關語句,for、while、until 循環;
  • 變量、數組、字符串、註釋、加減乘除、邏輯運算等概念;
  • 函數,包括用戶自定義的函數和內置函數(例如 printf、export、eval 等)。

站在這個角度講,Shell 也是一種編程語言,它的編譯器(解釋器)是 Shell 這個程序。我們平時所說的 Shell,有時候是指連接用戶和內核的這個程序,有時候又是指 Shell 編程。Shell 主要用來開發一些實用的、自動化的小工具,而不是用來開發具有複雜業務邏輯的中大型軟件,例如檢測計算機的硬件參數、搭建 Web 運行環境、日誌分析等,Shell 都非常合適。使用 Shell 的熟練程度反映了用戶對 Linux 的掌握程度,運維工程師、網絡管理員、程序員都應該學習 Shell。尤其是 Linux 運維工程師,Shell 更是必不可少的,是必須掌握的技能,它使得我們能夠自動化地管理服務器集羣,否則你就得一個一個地登錄所有的服務器,對每一臺服務器都進行相同的設置,而這些服務器可能有成百上千之多,會浪費大量的時間在重複性的工作上。

4. Shell腳本語言

任何代碼最終都要被“翻譯”成二進制的形式才能在計算機中執行。有的編程語言,如 C/C++、Pascal、Go語言、彙編等,必須在程序運行之前將所有代碼都翻譯成二進制形式,也就是生成可執行文件,用戶拿到的是最終生成的可執行文件,看不到源碼。這個過程叫做編譯(Compile),這樣的編程語言叫做編譯型語言,完成編譯過程的軟件叫做編譯器(Compiler)。

而有的編程語言,如 Shell、JavaScript、Python、PHP等,需要一邊執行一邊翻譯,不會生成任何可執行文件,用戶必須拿到源碼才能運行程序。程序運行後會即時翻譯,翻譯完一部分執行一部分,不用等到所有代碼都翻譯完。這個過程叫做解釋,這樣的編程語言叫做解釋型語言或者腳本語言(Script),完成解釋過程的軟件叫做解釋器。

編譯型語言的優點是執行速度快、對硬件要求低、保密性好,適合開發操作系統、大型應用程序、數據庫等。腳本語言的優點是使用靈活、部署容易、跨平臺性好,非常適合 Web 開發以及小工具的製作。Shell 就是一種腳本語言,我們編寫完源碼後不用編譯,直接運行源碼即可。

5. 常用Shell介紹

常見的 Shell 有 sh、bash、csh、tcsh、ash 等。現逐一進行介紹。

sh

sh 的全稱是 Bourne shell,由 AT&T 公司的 Steve Bourne開發,爲了紀念他,就用他的名字命名了。sh 是 UNIX 上的標準 shell,很多 UNIX 版本都配有 sh。sh 是第一個流行的 Shell。

csh

sh 之後另一個廣爲流傳的 shell 是由柏克萊大學的 Bill Joy 設計的,這個 shell 的語法有點類似C語言,所以才得名爲 C shell ,簡稱爲 csh。

tcsh

tcsh 是 csh 的增強版,加入了命令補全功能,提供了更加強大的語法支持。

bash

bash shell 是 Linux 的默認 shell,bash 由 GNU 組織開發,保持了對 sh shell 的兼容性,是各種 Linux 發行版默認配置的 shell。bash 兼容 sh 意味着,針對 sh 編寫的 Shell 代碼可以不加修改地在 bash 中運行。

ash

一個簡單的輕量級的 Shell,佔用資源少,適合運行於低內存環境,與bash shell 完全兼容。

如何查看系統中的Shell

Shell 是一個程序,一般都是放在/bin或者/usr/bin目錄下,當前 Linux 系統可用的 Shell 都記錄在/etc/shells文件中。/etc/shells是一個純文本文件,你可以在圖形界面下打開它,也可以使用 cat 命令查看它。在現代的 Linux 上,sh 已經被 bash 代替,/bin/sh往往是指向/bin/bash的符號鏈接。

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