怎样用Bash编程：语法和工具

xiejianming

2019-11-08

让我们通过本系列文章来学习基本的 Bash 编程语法和工具，以及如何使用变量和控制运算符，这是三篇中的第一篇。

Shell 是操作系统的命令解释器，其中 Bash 是我最喜欢的。每当用户或者系统管理员将命令输入系统的时候，Linux 的 shell 解释器就会把这些命令转换成操作系统可以理解的形式。而执行结果返回 shell 程序后，它会将结果输出到 STDOUT（标准输出），默认情况下，这些结果会显示在你的终端。所有我熟悉的 shell 同时也是一门编程语言。

Bash 是个功能强大的 shell，包含众多便捷特性，比如：tab 补全、命令回溯和再编辑、别名等。它的命令行默认编辑模式是 Emacs，但是我最喜欢的 Bash 特性之一是我可以将其更改为 Vi 模式，以使用那些储存在我肌肉记忆中的的编辑命令。

然而，如果你把 Bash 当作单纯的 shell 来用，则无法体验它的真实能力。我在设计一套包含三卷的 Linux 自学课程时（这个系列的文章正是基于此课程），了解到许多 Bash 的知识，这些是我在过去 20 年的 Linux 工作经验中所没有掌握的，其中的一些知识就是关于 Bash 的编程用法。不得不说，Bash 是一门强大的编程语言，是一个能够同时用于命令行和 shell 脚本的完美设计。

本系列文章将要探讨如何使用 Bash 作为命令行界面（CLI）编程语言。第一篇文章简单介绍 Bash 命令行编程、变量以及控制运算符。其他文章会讨论诸如：Bash 文件的类型；字符串、数字和一些逻辑运算符，它们能够提供代码执行流程中的逻辑控制；不同类型的 shell 扩展；通过 for、while 和 until 来控制循环操作。

Shell

Bash 是 Bourne Again Shell 的缩写，因为 Bash shell 是基于更早的 Bourne shell，后者是 Steven Bourne 在 1977 年开发的。另外还有很多其他的 shell 可以使用，但下面四个是我经常见到的：

csh：C shell 适合那些习惯了 C 语言语法的开发者。
ksh：Korn shell，由 David Korn 开发，在 Unix 用户中更流行。
tcsh：一个 csh 的变种，增加了一些易用性。
zsh：Z shell，集成了许多其他流行 shell 的特性。

所有 shell 都有内置命令，用以补充或替代核心工具集。打开 shell 的 man 说明页，找到“BUILT-INS”那一段，可以查看都有哪些内置命令。

每种 shell 都有它自己的特性和语法风格。我用过 csh、ksh 和 zsh，但我还是更喜欢 Bash。你可以多试几个，寻找更适合你的 shell，尽管这可能需要花些功夫。但幸运的是，切换不同 shell 很简单。

所有这些 shell 既是编程语言又是命令解释器。下面我们来快速浏览一下 Bash 中集成的编程结构和工具。

作为编程语言的 Bash

大多数场景下，系统管理员都会使用 Bash 来发送简单明了的命令。但 Bash 不仅可以输入单条命令，很多系统管理员可以编写简单的命令行程序来执行一系列任务，这些程序可以作为通用工具，能节省时间和精力。

编写 CLI 程序的目的是要提高效率（做一个“懒惰的”系统管理员）。在 CLI 程序中，你可以用特定顺序列出若干命令，逐条执行。这样你就不用盯着显示屏，等待一条命令执行完，再输入另一条，省下来的时间就可以去做其他事情了。

什么是“程序”？

自由在线计算机词典（FOLDOC）对于程序的定义是：“由计算机执行的指令，而不是运行它们的物理硬件。”普林斯顿大学的 WordNet 将程序定义为：“……计算机可以理解并执行的一系列指令……”维基百科上也有一条不错的关于计算机程序的条目。

总结下，程序由一条或多条指令组成，目的是完成一个具体的相关任务。对于系统管理员而言，一段程序通常由一系列的 shell 命令构成。Linux 下所有的 shell （至少我所熟知的）都有基本的编程功能，Bash 作为大多数 linux 发行版的默认 shell，也不例外。

本系列用 Bash 举例（因为它无处不在），假如你使用一个不同的 shell 也没关系，尽管结构和语法有所不同，但编程思想是相通的。有些 shell 支持某种特性而其他 shell 则不支持，但它们都提供编程功能。Shell 程序可以被存在一个文件中被反复使用，或者在需要的时候才创建它们。

简单 CLI 程序

最简单的命令行程序只有一或两条语句，它们可能相关，也可能无关，在按回车键之前被输入到命令行。程序中的第二条语句（如果有的话）可能取决于第一条语句的操作，但也不是必须的。

这里需要特别讲解一个标点符号。当你在命令行输入一条命令，按下回车键的时候，其实在命令的末尾有一个隐含的分号（;）。当一段 CLI shell 程序在命令行中被串起来作为单行指令使用时，必须使用分号来终结每个语句并将其与下一条语句分开。但 CLI shell 程序中的最后一条语句可以使用显式或隐式的分号。

一些基本语法

下面的例子会阐明这一语法规则。这段程序由单条命令组成，还有一个显式的终止符：

[student@studentvm1 ~]$ echo "Hello world." ;
Hello world.

看起来不像一个程序，但它确是我学习每个新编程语言时写下的第一个程序。不同语言可能语法不同，但输出结果是一样的。

让我们扩展一下这段微不足道却又无所不在的代码。你的结果可能与我的有所不同，因为我的家目录有点乱，而你可能是在 GUI 桌面中第一次登录账号。

[student@studentvm1 ~]$ echo "My home directory." ; ls ;
My home directory.
chapter25 TestFile1.Linux dmesg2.txt Downloads newfile.txt softlink1 testdir6
chapter26 TestFile1.mac dmesg3.txt file005 Pictures Templates testdir
TestFile1 Desktop dmesg.txt link3 Public testdir Videos
TestFile1.dos dmesg1.txt Documents Music random.txt testdir1

现在是不是更明显了。结果是相关的，但是两条语句彼此独立。你可能注意到我喜欢在分号前后多输入一个空格，这样会让代码的可读性更好。让我们再运行一遍这段程序，这次不要带结尾的分号：

[student@studentvm1 ~]$ echo "My home directory." ; ls

输出结果没有区别。

关于变量

像所有其他编程语言一样，Bash 支持变量。变量是个象征性的名字，它指向内存中的某个位置，那里存着对应的值。变量的值是可以改变的，所以它叫“变~量”。

Bash 不像 C 之类的语言，需要强制指定变量类型，比如：整型、浮点型或字符型。在 Bash 中，所有变量都是字符串。整数型的变量可以被用于整数运算，这是 Bash 唯一能够处理的数学类型。更复杂的运算则需要借助 bc 这样的命令，可以被用在命令行编程或者脚本中。

变量的值是被预先分配好的，这些值可以用在命令行编程或者脚本中。可以通过变量名字给其赋值，但是不能使用 $ 符开头。比如，VAR=10 这样会把 VAR 的值设为 10。要打印变量的值，你可以使用语句 echo $VAR。变量名必须以文本（即非数字）开始。

Bash 会保存已经定义好的变量，直到它们被取消掉。

下面这个例子，在变量被赋值前，它的值是空（null）。然后给它赋值并打印出来，检验一下。你可以在同一行 CLI 程序里完成它：

[student@studentvm1 ~]$ echo $MyVar ; MyVar="Hello World" ; echo $MyVar ;
Hello World
[student@studentvm1 ~]$

注意：变量赋值的语法非常严格，等号（=）两边不能有空格。

那个空行表明了 MyVar 的初始值为空。变量的赋值和改值方法都一样，这个例子展示了原始值和新的值。

正如之前说的，Bash 支持整数运算，当你想计算一个数组中的某个元素的位置，或者做些简单的算术运算，这还是挺有帮助的。然而，这种方法并不适合科学计算，或是某些需要小数运算的场景，比如财务统计。这些场景有其它更好的工具可以应对。

下面是个简单的算术题：

[student@studentvm1 ~]$ Var1="7" ; Var2="9" ; echo "Result = $((Var1*Var2))"
Result = 63

好像没啥问题，但如果运算结果是浮点数会发生什么呢？

[student@studentvm1 ~]$ Var1="7" ; Var2="9" ; echo "Result = $((Var1/Var2))"
Result = 0
[student@studentvm1 ~]$ Var1="7" ; Var2="9" ; echo "Result = $((Var2/Var1))"
Result = 1
[student@studentvm1 ~]$

结果会被取整。请注意运算被包含在 echo 语句之中，其实计算在 echo 命令结束前就已经完成了，原因是 Bash 的内部优先级。想要了解详情的话，可以在 Bash 的 man 页面中搜索 “precedence”。

控制运算符

Shell 的控制运算符是一种语法运算符，可以轻松地创建一些有趣的命令行程序。在命令行上按顺序将几个命令串在一起，就变成了最简单的 CLI 程序：

command1 ; command2 ; command3 ; command4 ; . . . ; etc. ;

只要不出错，这些命令都能顺利执行。但假如出错了怎么办？你可以预设好应对出错的办法，这就要用到 Bash 内置的控制运算符， && 和 ||。这两种运算符提供了流程控制功能，使你能改变代码执行的顺序。分号也可以被看做是一种 Bash 运算符，预示着新一行的开始。

&& 运算符提供了如下简单逻辑，“如果 command1 执行成功，那么接着执行 command2。如果 command1 失败，就跳过 command2。”语法如下：

command1 && command2

现在，让我们用命令来创建一个新的目录，如果成功的话，就把它切换为当前目录。确保你的家目录（~）是当前目录，先尝试在 /root 目录下创建，你应该没有权限：

[student@studentvm1 ~]$ Dir=/root/testdir ; mkdir $Dir/ && cd $Dir
mkdir: cannot create directory '/root/testdir/': Permission denied
[student@studentvm1 ~]$

上面的报错信息是由 mkdir 命令抛出的，因为创建目录失败了。&& 运算符收到了非零的返回码，所以 cd 命令就被跳过，前者阻止后者继续运行，因为创建目录失败了。这种控制流程可以阻止后面的错误累积，避免引发更严重的问题。是时候讲点更复杂的逻辑了。

当一段程序的返回码大于零时，使用 || 运算符可以让你在后面接着执行另一段程序。简单语法如下：

command1 || command2

解读一下，“假如 command1 失败，执行 command2”。隐藏的逻辑是，如果 command1 成功，跳过 command2。下面实践一下，仍然是创建新目录：

[student@studentvm1 ~]$ Dir=/root/testdir ; mkdir $Dir || echo "$Dir was not created."
mkdir: cannot create directory '/root/testdir': Permission denied
/root/testdir was not created.
[student@studentvm1 ~]$

正如预期，因为目录无法创建，第一条命令失败了，于是第二条命令被执行。

把 && 和 || 两种运算符结合起来才能发挥它们的最大功效。请看下面例子中的流程控制方法：

前置 commands ; command1 && command2 || command3 ; 跟随 commands

语法解释：“假如 command1 退出时返回码为零，就执行 command2，否则执行 command3。”用具体代码试试：

[student@studentvm1 ~]$ Dir=/root/testdir ; mkdir $Dir && cd $Dir || echo "$Dir was not created."
mkdir: cannot create directory '/root/testdir': Permission denied
/root/testdir was not created.
[student@studentvm1 ~]$

现在我们再试一次，用你的家目录替换 /root 目录，你将会有权限创建这个目录了：

[student@studentvm1 ~]$ Dir=~/testdir ; mkdir $Dir && cd $Dir || echo "$Dir was not created."
[student@studentvm1 testdir]$

像 command1 && command2 这样的控制语句能够运行的原因是，每条命令执行完毕时都会给 shell 发送一个返回码，用来表示它执行成功与否。默认情况下，返回码为 0 表示成功，其他任何正值表示失败。一些系统管理员使用的工具用值为 1 的返回码来表示失败，但其他很多程序使用别的数字来表示失败。

Bash 的内置变量 $? 可以显示上一条命令的返回码，可以在脚本或者命令行中非常方便地检查它。要查看返回码，让我们从运行一条简单的命令开始，返回码的结果总是上一条命令给出的。

[student@studentvm1 testdir]$ ll ; echo "RC = $?"
total 1264
drwxrwxr-x 2 student student 4096 Mar 2 08:21 chapter25
drwxrwxr-x 2 student student 4096 Mar 21 15:27 chapter26
-rwxr-xr-x 1 student student 92 Mar 20 15:53 TestFile1
drwxrwxr-x. 2 student student 663552 Feb 21 14:12 testdir
drwxr-xr-x. 2 student student 4096 Dec 22 13:15 Videos
RC = 0
[student@studentvm1 testdir]$

在这个例子中，返回码为零，意味着命令执行成功了。现在对 root 的家目录测试一下，你应该没有权限：

[student@studentvm1 testdir]$ ll /root ; echo "RC = $?"
ls: cannot open directory '/root': Permission denied
RC = 2
[student@studentvm1 testdir]$

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