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LINUX & UNIX Shell 程式設計篇
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LINUX & UNIX Shell 程式設計篇

作者: 和碩科技編輯部
出版社: 和碩
出版日期: 2000-08-30
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內容簡介

  • 什麼是 Shell?
      Shell是一種具備特殊功能的程式,它是介於使用者和 UNIX/Linux 作業系統之核心程式(kernel)間的一個介面。為什麼我們說 shell 是一種介於系統核心程式與使用者間的中介者呢?讀過作業系統概論的讀者們都知道作業系統是一個系統資源的管理者與分配者,當您有需求時,您得向系統提出;從作業系統的角度來看,它也必須防止使用者因為錯誤的操作而造成系統的傷害?眾所周知,對電腦下命令得透過命令(command)或是程式(program);程式有編譯器(compiler)將程式轉為二進位碼,可是命令呢?其實shell 也是一支程式,它由輸入設備讀取命令,再將其轉為電腦可以了解的機械碼,然後執行它。

      各種作業系統都有它自己的 shell,以 DOS 為例,它的 shell 就是 command.com 檔。如同 DOS 下有 NDOS,4DOS,DRDOS 等不同的命令解譯程式可以取代標準的 command.com ,UNIX 下除了 Bourne shell(/bin/sh) 外還有 C shell(/bin/csh)、Korn shell(/bin/ksh)、Bourne again shell(/bin/bash)、Tenex C shell(tcsh) … 等其它的 shell。UNIX/Linux 將 shell 獨立於核心程式之外,使得它就如同一般的應用程式,可以在不影響作業系統本身的情況下進行修改、更新版本或是添加新的功能。

  • Shell 的啟動
      在系統起動的時候,核心程式會被載入記憶體,負責管理系統的工作,直到系統關閉為止。它建立並控制著處理程序,管理記憶體、檔案系統、通訊等等。而其他的程式,包括 shell 程式,都存放在磁碟中。核心程式將它們載入記憶體,執行它們,並且在它們中止後清理系統。Shell 是一個公用程式,它在您簽入時起動。藉由解譯使用者輸入的命令(由命令列或命令檔),Shell 提供使用者和核心程式產生交談的功能。

      當您簽入(login)時,一個交談式的shell 會跟著起動,並提示您輸入命令。在您鍵入一個命令後,接著就是 shell 的工作了,它會進行:

    • 語法分析命令列
    • 處理萬用字元(wildcards)、轉向(redirection)、管線(pipes)與工作控制(job control)
    • 搜尋並執行命令

      當您剛開始學UNIX/Linux系統時,您大部份的時間會花在於提示符號(prompt)下執行命令。

      如果您經常會輸入一組相同形式的命令,您可能會想要自動執行那些工作。如此,您可以將一些命令放入一個檔案(稱為命令檔,script),然後執行該檔。一個shell 命令檔很像是 DOS 下的批次檔(如 Autoexec.bat):它把一連串的 UNIX 命令存入一個檔案,然後執行該檔。較成熟的命令檔還支援若干現代程式語言的控制結構,譬如說能做條件判斷、迴圈、檔案測試、傳送參數等。要寫著寫命令檔,不僅要學習程式設計的結構和技巧,而且對 UNIX/Linux 公用程式及如何運作需有深入的了解。有些公用程式的功能非常強大(例如 grep、sed 和awk),它們常被用於命令檔來操控命令輸出和檔案。在您對那些工具和程式設計結構變得熟悉之後,您就可以開始寫命令檔。當由命令檔執行命令時,此刻,您就已經把 shell 當做程式語言使用了。

  • 細說 Shell 的生平
      第一個有重要意義的,標準的 UNIX shell 是V7(AT&T的第七版)UNIX,在1979 年底被提出,且以它的創造者 Stephen Bourne 來命名。Bourne shell 是以 Algol 這種語言為基礎來設計,主要被用來做自動化系統管理工作。雖然 Bourne shell 以簡單和速度而受歡迎,但它缺少許多交談性使用的特色,例如歷程、別名和工作控制。

      C shell 是在加州大學柏克來分校於70年代末期發展而成,而以2BSD UNIX的部分發行。這個 shell 主要是由 Bill Joy 寫成,提供了一些在標準 Bourne shell 所看不到的額外特色。C shell 是以C 程式語言作為基礎,且它被用來當程式語言時,能共享類似的語法。它也提供在交談式運用上的改進,例如命令列歷程、別名和工作控制。因為 C shell 是在大型機器上設計出來,且增加了一些額外功能,所以 C shell 有在小型機器上跑得較慢,即使在大型機器上跟 Bourne shell 比起來也顯得緩慢。

      有了 Bourne shell 和 C shell 之後,UNIX 使用者就有了選擇,且爭論那一個 shell 較好。AT&T 的David Korn 在 80 年代中期發明了 Korn shell,在 1986 年發行且在 1988 年成為正式的部分 SVR4 UNIX。Korn shell 實際上是 Bourne shell 的超集合,且不只可在 UNIX 系統上執行,同時也可在 OS/2、VMS、和 DOS上執行。它提供了和 Bourne shell 向上相容的能力,且增加了許多在 C shell 上受歡迎的特色,更增加了速度和效率。 Korn shell 已歷經許多修正版,要找尋您使用的是那一個版本可在 ksh 提示符號下按 Ctrl-v 鍵。

  • 三種主要的 Shell 與其分身
      在大部份的UNIX系統,三種著名且廣被支援的shell 是Bourne shell(AT&T shell,在 Linux 下是BASH)、C shell(Berkeley shell,在 Linux 下是TCSH)和 Korn shell(Bourne shell的超集合)。這三種 shell 在交談(interactive)模式下的表現相當類似,但作為命令檔語言時,在語法和執行效率上就有些不同了。

      Bourne shell 是標準的 UNIX shell,以前常被用來做為管理系統之用。大部份的系統管理命令檔,例如 rc start、stop 與shutdown 都是Bourne shell 的命令檔,且在單一使用者模式(single user mode)下以 root 簽入時它常被系統管理者使用。Bourne shell 是由 AT&T 發展的,以簡潔、快速著名。 Bourne shell 提示符號的預設值是 $。

      C shell 是柏克萊大學(Berkeley)所開發的,且加入了一些新特性,如命令列歷程(history)、別名(alias)、內建算術、檔名完成(filename completion)、和工作控制(job control)。對於常在交談模式下執行 shell 的使用者而言,他們較喜愛使用 C shell;但對於系統管理者而言,則較偏好以 Bourne shell 來做命令檔,因為 Bourne shell 命令檔比 C shell 命令檔來的簡單及快速。C shell 提示符號的預設值是 %。

      Korn shell 是Bourne shell 的超集合(superset),由 AT&T 的 David Korn 所開發。它增加了一些特色,比 C shell 更為先進。Korn shell 的特色包括了可編輯的歷程、別名、函式、正規表達式萬用字元(regular expression wildcard)、內建算術、工作控制(job control)、共作處理(coprocessing)、和特殊的除錯功能。Bourne shell 幾乎和 Korn shell 完全向上相容(upward compatible),所以在 Bourne shell 下開發的程式仍能在 Korn shell 上執行。Korn shell 提示符號的預設值也是 $。在 Linux 系統使用的 Korn shell 叫做 pdksh,它是指 Public Domain Korn Shell。

      除了執行效率稍差外,Korn shell 在許多方面都比 Bourne shell 為佳;但是,若將 Korn shell 與 C shell 相比就很困難,因為二者在許多方面都各有所長,就效率和容易使用上看,Korn shell 是優於 C shell,相信許多使用者對於 C Shell 的執行效率都有負面的印象。

      在shell 的語法方面,Korn shell 是比較接近一般程式語言,而且它具有副程式的功能及提供較多的資料型態。至於 Bourne shell,它所擁有的資料型態是三種 shell 中最少的,僅提供字串變數和布林型態。在整體考量下 Korn shell 是三者中表現最佳者,其次為 C shell,最後才是 Bourne shell,但是在實際使用中仍有其它應列入考慮的因素,如速度是最重要的選擇時,很可能應該採用 Bourne shell,因它是最基本的 shell,執行的速度最快。

      tcsh 是近幾年崛起的一個免費軟體(Linux 下的C shell 其實就是使用 tcsh)執行,它雖然不是UNIX 的標準配備,但是從許多地方您都可以下載到它。如果您是 C shell 的擁護者,筆者建議不妨試試 tcsh,因為您至少可以將它當作是 C shell 來使用。如果您願意花點時間學習,您還可以享受許多它新增的優越功能,例如:

    1. tcsh 提供了一個命令列(command line)編輯程式。
    2. 提供了命令列補全功能。
    3. 提供了拼字更正功能。它能夠自動檢測並且更正在命令列拼錯的命令或是單字。
    4. 危險命令偵測並提醒的功能,避免您一個不小心執行了rm* 這種殺傷力極大的命令。
    5. 提供常用命令的捷徑(shortcut)。

      bash 對 Bourne shell 是向下相容(backward compatible),並融入許多C shell 與Korn shell 的功能。這些功能其實 C shell(當然也包括了tcsh)都有,只是過去 Bourne shell 都未支援。以下筆者將介紹 bash 六點重要的改進(詳細的使用說明筆者會在以後的章節介紹):

    1. 工作控制(job contorl)。bash 支援了關於工作的訊號與指令,本章稍後會提及。
    2. 別名功能(aliases)。alias 命令是用來為一個命令建立另一個名稱,它的運作就像一個巨集,展開成為它所代表的命令。別名並不會替代掉命令的名稱,它只是賦予那個命令另一個名字。
    3. 命令歷程(command history)。BASH shell 加入了C shell 所提供的命令歷程功能,它以 history 工具程式記錄了最近您執行過的命令。命令是由 1 開始編號,預設值為500。history 工具程式是一種短期記憶,記錄您最近所執行的命令。要看看這些命令,您可以在命令列鍵入 history,如此將會顯示最近執行過之命令的清單,並在前方加上編號。
    4. 這些命令在技術上每個都稱為一個事件。事件描述的是一個已經採取的行動(已經被執行的命令)。事件是依照執行的順序而編號,越近的事件其編號碼越大,這些事件都是以它的編號或命令的開頭字元來辨認的。history 工具程式讓您參照一個先前發生過的事件,將它放在命令列上並允許您執行它。最簡單的方法是用上下鍵一次放一個歷程事件在您的命令列上;您並不需要先用 history 顯示清單。按一次向上鍵會將最後一個歷程事件放在您的命令列上,再按一次會放入下一個歷程事件。按向下鍵則會將前一個事件放在命令列上。
    5. 命令列編輯程式。BASH shell 命令列編輯能力是內建的,讓您輕鬆地在執行之前修改您輸入的命令。若是您在輸入命令時拼錯了字,您不需重新輸入整個命令,只需在執行命令之前使用編輯功能糾正錯誤即可。這尤其適合於使用冗長的路徑名稱當作參數的命令時。命令列編輯作業是 Emacs 編輯命令的一部份。您可以用 Ctrl-F 或向右鍵往前移一個字元,Ctrl-b 或向左鍵往回移一個字元。Ctrl-d 或DEL 鍵會刪除游標目前所在處的字元。要增加文字的話,您只需要將游標移到您要插入文字的地方並鍵入新字元即可。無論何時,您都可以按 ENTER 鍵執行命令。
    6. 允許使用者自訂按鍵。
    7. 提供更豐富的變數型態、命令與控制結構至 shell 中。
     

      bash 與tcsh 一樣可以從許多網站上免費下載,它們的性質也十分類似,都是整合其前一代的產品然後增添新的功能,這些新增的功能主要都著重在強化 shell 的程式設計能力以及讓使用者能夠自行定義自己偏好的作業環境。除了上述的五種 shell 之外,zsh 也是一個廣為UNIX 程式設計人員與進階使用者所採用的 shell,zsh 基本上也是 Bourne shell 功能的擴充。

  • Shell 的使用

      不論是哪一種Shell,它最主要的功用都是解譯使用者在命令列提示符號下輸入的指令。Shell 語法分析命令列,把它分解成以空白區分開的符號(token),在此空白包括了跳位鍵(tab)、空白和換行(New Line)。如果這些字包含了metacharacter,shell 將會評估(evaluate)它們的正確用法。另外,shell 還管理檔案輸入輸出及幕後處理(background processing)。在處理命令列之後,shell 會尋找命令並開始執行它們。

      Shell 的另一個重要功用是提供個人化的使用者環境,這通常在 shell 的初始化檔案中完成(.profile、.login、.cshrc、.tcshrc 等等)。這些檔案包括了設定終端機鍵盤和定義視窗的特徵;設定變數,定義搜尋路徑、許可權限、提示符號和終端機類形;以及設定特殊應用程式所需要的變數,例如視窗、文字處理程式、及程式語言的程式庫。Korn shell 和 C shell 加強了個別化的能力:增加歷程、別名、和內建變數集以避免使用者誤殺檔案、不慎簽出、並在當工作完成時通知使用者。

     Shell 也能當解譯性的程式語言(interpreted programing language)。Shell 程式,通常叫做命令檔,它由列在檔案內的命令所構成。此程式在編輯器中編輯(雖然也可以直接在命令列下寫作程式, online scripting),由 UNIX 命令和基本的程式結構,例如變數的指定、測試條件、和迴圈所構成。您不需要編譯 shell 命令檔。Shell 本身會解譯命令檔中的每一行,就如同由鍵盤輸入一樣。shell 負責解譯命令,而使用者則必須了解這些命令能做什麼。這本書的索引列出了一些有用的命令和它們的使用方法。

  • Shell 的功用

      為了確保任何提示符號下輸入的命令都能夠適當地執行。shell 擔任的工作包括有:

    1. 讀取輸入和語法分析命令列
    2. 對特殊字元求值
    3. 設立管線、轉向、和幕後處理
    4. 處理訊號
    5. 設立程式來執行
 


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