第8章：从Shell眼中看世界

第8章：从Shell眼中看世界

在这一章我们将看到，当你按下 enter 键后，发生在命令行中的一些“魔法”。我们会深入研究几个复杂而有趣的 shell 特性，需要使用一个新命令：

• echo － 显示一行文本

8.1 (字符)展开

每当你输入一个命令并按下 enter 键，bash 会在执行你的命令之前对输入的字符完成几个步骤的处理。我们已经见过几个例子：例如一个简单的字符序列"*",对 shell 来说有着多么丰富的涵义。这背后的的过程叫做（字符）展开。通过展开，你输入的字符，在 shell 对它起作用之前，会展开成为别的字符。为了说明这一点，让我们看一看 echo 命令。echo 是一个 shell 内建命令，可以完成非常简单的任务。它将它的文本参数打印到标准输出中。

[me@linuxbox ~]$ echo this is a test
this is a test

这个命令的作用相当简单明了。传递到 echo 命令的任一个参数都会在（屏幕上）显示出来。让我们试试另一个例子：

[me@linuxbox ~]$ echo *
Desktop Documents ls-output.txt Music Pictures Public Templates Videos

那么刚才发生了什么事情呢？ 为什么 echo 不打印"*"呢？如果你回忆起我们所学过的关于通配符的内容，这个"*"字符意味着匹配文件名中的任意字符，但在原先的讨论中我们并不知道 shell 是怎样实现这个功能的。简单的答案就是 shell 在 echo 命令被执行前把"*"展开成了另外的东西（在这里，就是在当前工作目录下的文件名字）。当回车键被按下时，shell 在命令被执行前在命令行上自动展开任何符合条件的字符，所以 echo 命令的实际参数并不是"*"，而是它展开后的结果。知道了这个以后，我们就能明白 echo 的行为符合预期。

8.2 路径名展开

通配符所依赖的工作机制叫做路径名展开。如果我们试一下在之前的章节中使用的技巧，我们会看到它们实际上是展开。给定一个家目录，它看起来像这样：

[me@linuxbox ~]$ ls
Desktop   ls-output.txt   Pictures   Templates
....

我们能够执行以下的展开：

[me@linuxbox ~]$ echo D*
Desktop  Documents

和：

[me@linuxbox ~]$ echo *s
Documents Pictures Templates Videos

甚至是：

[me@linuxbox ~]$ echo [[:upper:]]*
Desktop Documents Music Pictures Public Templates Videos

查看家目录之外的目录：

[me@linuxbox ~]$ echo /usr/*/share
/usr/kerberos/share  /usr/local/share

隐藏文件路径名展开

正如我们知道的，以圆点字符开头的文件名是隐藏文件。路径名展开也尊重这种
行为。像这样的展开：

echo *

不会显示隐藏文件

直觉告诉我们，如果展开模式以一个圆点开头，我们就能够在展开中包含隐藏文件，就像这样：

echo .*

它几乎要起作用了。然而，如果我们仔细检查一下输出结果，我们会看到名字"." 和".."也出现在结果中。由于它们是指当前工作目录和父目录，使用这种模式可能会产生不正确的结果。我们可以通过这个命令来验证：

ls -d .* | less

为了在这种情况下正确地完成路径名展开，我们应该使用一个更精确的模式。这个模式会正确地工作：

ls -d .[!.]?*

这种模式展开成所有以圆点开头，第二个字符不包含圆点，再包含至少一个字符，并且这个字符之后紧接着任意多个字符的文件名。这个命令将正确列出大多数的隐藏文件（但仍不能包含以多个圆点开头的文件名）。带有 -A 选项（“几乎所有”）的 ls 命令能够提供一份正确的隐藏文件清单：

ls -A

8.3 波浪线展开

可能你从我们对 cd 命令的介绍中回想起来，波浪线字符("~")有特殊的含义。当它用在一个单词的开头时，它会展开成指定用户的家目录名，如果没有指定用户名，则展开成当前用户的家目录：

[me@linuxbox ~]$ echo ~
/home/me

如果有用户"foo"这个帐号，那么：

[me@linuxbox ~]$ echo ~foo
/home/foo

8.4 算术表达式展开

shell 在展开中执行算数表达式。这允许我们把 shell 当作计算器来使用：

[me@linuxbox ~]$ echo $((2 + 2))
4

算术表达式展开使用这种格式：

$((expression))

（以上括号中的）表达式是指算术表达式，它由数值和算术操作符组成。

算术表达式只支持整数（全部是数字，不带小数点），但是能执行很多不同的操作。这里是一些它支持的操作符：

在算术表达式中空格并不重要，并且表达式可以嵌套。例如，5的平方乘以3：

[me@linuxbox ~]$ echo $(($((5**2)) * 3))
75

一对括号可以用来把多个子表达式括起来。通过这个技术，我们可以重写上面的例子，同时用一个展开代替两个，来得到一样的结果：

[me@linuxbox ~]$ echo $(((5**2) * 3))
75

这是一个使用除法和取余操作符的例子。注意整数除法的结果：

[me@linuxbox ~]$ echo Five divided by two equals $((5/2))
Five divided by two equals 2
[me@linuxbox ~]$ echo with $((5%2)) left over.
with 1 left over.

在35章会更深入地讨论算术表达式的内容。

8.5 花括号展开

可能最奇怪的展开是花括号展开。通过它，你可以从一个包含花括号的模式中创建多个文本字符串。这是一个例子：

[me@linuxbox ~]$ echo Front-{A,B,C}-Back
Front-A-Back Front-B-Back Front-C-Back

花括号展开模式可能包含一个开头部分叫做前言，一个结尾部分叫做附言。花括号表达式本身可能包含一个由逗号分开的字符串列表，或者一个整数区间，或者单个的字符的区间。这种模式不能嵌入空白字符。这个例子中使用了一个整数区间：

[me@linuxbox ~]$ echo Number_{1..5}
Number_1  Number_2  Number_3  Number_4  Number_5

倒序排列的字母区间：

[me@linuxbox ~]$ echo {Z..A}
Z Y X W V U T S R Q P O N M L K J I H G F E D C B A

Brace expansions may be nested:

花括号展开可以嵌套：

[me@linuxbox ~]$ echo a{A{1,2},B{3,4}}b
aA1b aA2b aB3b aB4b

那这个有啥用呢？最常见的应用是，创建一系列的文件或目录列表。例如，如果我们是摄影师，有大量的相片。我们想把这些相片按年月先后组织起来。首先，我们要创建一系列以数值"年－月"形式命名的目录。通过这种方式，可以使目录名按照年代顺序排列。我们可以手动键入整个目录列表，但是工作量太大了，并且易于出错。反之，我们可以这样做：

[me@linuxbox ~]$ mkdir Pics
[me@linuxbox ~]$ cd Pics
[me@linuxbox Pics]$ mkdir {2019..2020}-0{1..9} {2019..2020}-{10..12}
[me@linuxbox Pics]$ ls
2019-01 2019-07 2021-01 2021-07 2020-01 2020-07
2019-02 2019-08 2021-02 2021-08 2020-02 2020-08
2019-03 2019-09 2021-03 2021-09 2020-03 2020-09
2019-04 2019-10 2021-04 2021-10 2020-04 2020-10
2019-05 2019-11 2021-05 2021-11 2020-05 2020-11
2019-06 2019-12 2021-06 2021-12 2020-06 2020-12

棒极了！

8.6 参数展开

在这一章我们将会简单介绍参数展开，会在后续章节中进行详细讨论。这个特性在 shell 脚本中比直接在命令行中更有用。它的许多功能和系统存储小块数据，并给每块数据命名的能力有关系。许多像这样的小块数据，更恰当的称呼应该是变量，可供你方便地检查它们。例如，叫做"USER"的变量包含你的用户名。可以这样做来调用参数，并查看 USER 中的内容，：

[me@linuxbox ~]$ echo $USER
me

要查看有效的变量列表，可以试试这个：

[me@linuxbox ~]$ printenv | less

你可能注意到在其它展开类型中，如果你误输入一个字符串，展开就不会发生。这时 echo 命令只简单地显示误键入的字符串。但在参数展开中，如果你拼写错了一个变量名，展开仍然会进行，只是展开的结果是一个空字符串：

[me@linuxbox ~]$ echo $SUER

[me@linuxbox ~]$

8.7 命令替换

命令替换允许我们把一个命令的输出作为另一个命令的一部分来使用：

[me@linuxbox ~]$ echo $(ls)
Desktop Documents ls-output.txt Music Pictures Public Templates
Videos

我最喜欢用的一行命令是像这样的：

[me@linuxbox ~]$ ls -l $(which cp)
-rwxr-xr-x 1 root root 71516 2019-12-05 08:58 /bin/cp

这里我们把 which cp 的执行结果作为一个参数传递给 ls 命令，因此可以在不知道 cp 命令完整路径名的情况下得到它的文件属性列表。我们不只限于简单命令。也可以使用整个管道线（只展示部分输出）：

[me@linuxbox ~]$ file $(ls /usr/bin/* | grep zip)
/usr/bin/bunzip2:     symbolic link to `bzip2'
....

在这个例子中，管道线的输出结果成为 file 命令的参数列表。

在旧版 shell 程序中，有另一种语法也支持命令替换，可与刚提到的语法轮换使用。bash 也支持这种语法。它使用倒引号来代替美元符号和括号：

[me@linuxbox ~]$ ls -l which cp -rwxr-xr-x 1 root root 71516 2019-12-05 08:58 /bin/cp 

8.8 引用

我们已经知道 shell 有许多方式可以完成展开，现在是时候学习怎样来控制展开了。以下面例子来说明：

[me@linuxbox ~]$ echo this is a    test
this is a test

或者：

[me@linuxbox ~]$ echo The total is $100.00
The total is 00.00

在第一个例子中，shell 利用单词分割删除掉 echo 命令的参数列表中多余的空格。在第二个例子中，参数展开把 $1 的值替换为一个空字符串，因为 1 是没有定义的变量。shell 提供了一种叫做引用的机制，来有选择地禁止不需要的展开。

8.9 双引号

我们将要看一下引用的第一种类型，双引号。如果你把文本放在双引号中，shell 使用的特殊字符，都失去它们的特殊含义，被当作普通字符来看待。有几个例外： $，\ (反斜杠），和 `（倒引号）。这意味着单词分割、路径名展开、波浪线展开和花括号展开都将失效，然而参数展开、算术展开和命令替换仍然执行。使用双引号，我们可以处理包含空格的文件名。比方说 two words.txt 文件，如果我们试图在命令行中使用这个文件，单词分割机制会导致这个文件名被看作两个独自的参数，而不是所期望的单个参数：

[me@linuxbox ~]$ ls -l two words.txt
ls: cannot access two: No such file or directory
ls: cannot access words.txt: No such file or directory

使用双引号，我们可以阻止单词分割，得到期望的结果；进一步，我们甚至可以修复破损的文件名。

[me@linuxbox ~]$ ls -l "two words.txt"
-rw-rw-r-- 1 me   me   18 2021-02-20 13:03 two words.txt
[me@linuxbox ~]$ mv "two words.txt" two_words.txt

用来下划线，现在我们不必一直输入那些讨厌的双引号了。

记住，在双引号中，参数展开、算术表达式展开和命令替换仍然有效：

[me@linuxbox ~]$ echo "$USER $((2+2)) $(cal)"
me 4    February 2021
Su Mo Tu We Th Fr Sa
....

我们应该花费一点时间来看一下双引号在命令替换中的效果。首先仔细研究一下单词分割是怎样工作的。在之前的范例中，我们已经看到单词分割机制是怎样来删除文本中额外空格的：

[me@linuxbox ~]$ echo this is a   test
this is a test

在默认情况下，单词分割机制会在单词中寻找空格，制表符，和换行符，并把它们看作单词之间的界定符。这意味着无引用的空格，制表符和换行符都不是文本的一部分，它们只作为分隔符使用。由于它们把单词分为不同的参数，所以在上面的例子中，命令行包含一个带有四个不同参数的命令。如果我们加上双引号：

[me@linuxbox ~]$ echo "this is a    test"
this is a    test

单词分割被禁止，内嵌的空格也不会被当作界定符，它们成为参数的一部分。一旦加上双引号，我们的命令行就包含一个带有一个参数的命令。

事实上，单词分割机制把换行符看作界定符，对命令替换产生了一个虽然微妙但有趣的影响。考虑下面的例子：

[me@linuxbox ~]$ echo $(cal)
February 2021 Su Mo Tu We Th Fr Sa 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14
15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29
[me@linuxbox ~]$ echo "$(cal)"
February 2021
....

在第一个例子，没有引用的命令替换导致命令行包含38个参数。在第二个例子中，
命令行只有一个参数，参数中包括嵌入的空格和换行符。

8.10 单引号

如果需要禁止所有的展开，我们要使用单引号。以下例子是无引用，双引号，和单引号的比较结果：

[me@linuxbox ~]$ echo text ~/*.txt {a,b} $(echo foo) $((2+2)) $USER
text /home/me/ls-output.txt a b foo 4 me
[me@linuxbox ~]$ echo "text ~/*.txt {a,b} $(echo foo) $((2+2)) $USER"
text ~/*.txt   {a,b} foo 4 me
[me@linuxbox ~]$ echo 'text ~/*.txt {a,b} $(echo foo) $((2+2)) $USER'
text ~/*.txt  {a,b} $(echo foo) $((2+2)) $USER

正如我们所看到的，随着引用程度加强，越来越多的展开被禁止。

8.11 转义字符

有时候我们只想引用单个字符。我们可以在字符之前加上一个反斜杠，在这里叫做转义字符。经常在双引号中使用转义字符，来有选择地阻止展开。

[me@linuxbox ~]$ echo "The balance for user $USER is: \$5.00"
The balance for user me is: $5.00

使用转义字符来消除文件名中一个字符的特殊含义，是很普遍的。例如，在文件名中可能使用一些对于 shell 来说有特殊含义的字符。这些字符包括"$", "!", " "等字符。在文件名中包含特殊字符，你可以这样做：

[me@linuxbox ~]$ mv bad\&filename good_filename

为了允许反斜杠字符出现，输入"\"来转义。注意在单引号中，反斜杠失去它的特殊含义，它被看作普通字符。

反斜杠转义字符序列

反斜杠除了作为转义字符外，也可以构成一种表示法，来代表某种特殊字符，这些特殊字符叫做控制码。ASCII 编码表中前32个字符被用来把命令转输到电报机
之类的设备。一些编码是众所周知的（制表符，退格符，换行符，和回车符），而其它一些编码就不熟悉了（空值，传输结束码，和确认）。

上表列出了一些常见的反斜杠转义字符序列。这种利用反斜杠的表示法背后的思想来源于 C 编程语言，许多其它语言也采用了这种表示方法，包括 shell。

echo 命令带上 '-e' 选项，能够解释转义序列。你可以把转义序列放在 $' ' 里面。以下例子中，我们可以使用 sleep 命令创建一个简单的倒数计数器（ sleep 是一个简单的程序，它会等待指定的秒数，然后退出）：

sleep 10; echo -e "Time's up\a"

我们也可以这样做：

sleep 10; echo "Time's up" $'\a'

8.12 总结归纳

随着我们继续学习 shell，你会发现使用展开和引用的频率逐渐多起来，所以能够很好的理解它们的工作方式很有意义。事实上，可以这样说，它们是学习 shell 的最重要的主题。如果没有准确地理解展开模式，shell 总是神秘和混乱的源泉，并且 shell 潜在的能力也浪费掉了。