轻松上手Bash脚本：创建交互式计算器

最新推荐文章于 2024-12-02 00:50:28 发布

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分类专栏： Linux 文章标签： bash shell 计算器 linux 交互式

本文链接：https://blog.youkuaiyun.com/CrossProblems/article/details/144121520

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1 引言

这篇博客将介绍如何使用 Bash 脚本实现一个功能全面的计算器，支持浮点数加减乘除以及阶乘计算。

本计算器脚本特别之处在于，它同时支持两种使用模式：交互模式和命令行模式。用户可以在终端中直接输入计算表达式进行一次性计算，或者进入交互式环境连续进行多次计算。同时，脚本允许通过命令行选项设置浮点数的计算精度，提升计算的灵活性和可用性。

本文将详细分析该脚本的实现过程，涵盖其核心功能、命令行参数的处理、错误处理机制等，并在最后附上完整源码，供读者学习与参考。

2 项目概述

本项目实现了一个基于 Bash 脚本的简单计算器，支持基本的四则运算（加、减、乘、除）以及阶乘计算。该计算器具有两种工作模式：交互模式和命令行模式。交互模式允许用户在程序运行时输入多个计算式，适用于快速连续的计算；命令行模式则允许用户通过传递参数一次性进行计算，适合批量处理任务。

2.1 主要功能：

四则运算：支持加法、减法、乘法、除法的基本运算。
阶乘计算：提供递归和循环两种方式计算阶乘，适用于非负整数。
小数精度设置：通过命令行参数设置计算结果的小数精度，默认为两位小数。
错误处理：包括无效的数值输入、无效的运算符、阶乘输入限制等。

2.2 使用模式：

交互模式：如果不传入任何命令行参数，用户可以进入交互模式，实时输入计算式并获得结果。输入 “q” 退出程序。
命令行模式：通过命令行参数传递计算式和选项进行一次性计算，支持设置精度和选择运算符。

本脚本通过解析命令行选项（如 -h 查看帮助文档、-s 设置精度），使得用户能够灵活地使用计算器进行各种计算任务。接下来，我们将详细介绍脚本的各个组成部分和实现原理。

3 功能细节

3.1 显示帮助文档 (`show_help` 函数)

在计算器脚本中，帮助文档的功能是为了引导用户如何正确使用脚本。用户可以通过 -h 参数或在交互模式下查看帮助，了解支持的运算符、如何输入计算式、如何设置小数精度等。以下是该函数的具体内容和功能：

show_help() {
    echo "简单计算器 支持浮点数加、减、乘、除和阶乘 by DuChuan"
    echo "支持的运算符：+ - \"*\" / !（乘法请用引号包裹\"*\"）"
    echo ""
    echo "交互模式："
    echo "  如果不传入任何参数，进入交互模式，您可以连续进行计算。"
    echo "  输入计算式（num1 运算符 num2）进行计算，输入 'q' 退出。"
    echo ""
    echo "命令行模式："
    echo "  直接传入 num1、运算符和 num2 进行一次性计算。"
    echo "  例如：bash calculator.sh -s 3 3 + 5"
    echo ""
    echo "其他帮助："
    echo "  -h  显示帮助文档。"
    echo "  '!' 用于计算阶乘，例如：bash calculator.sh 5 !"
    echo "  -s 设置小数精度（默认为2）命令行模式需要在算式前设置。例如：bash calculator.sh -s 3 3.5 * 2"
}

3.2 阶乘计算 (`factorial_recursive` 和 `factorial_for` 函数)

在这个计算器脚本中，阶乘计算是一个非常重要的功能。阶乘是一个数学运算，表示一个非负整数的连乘积，通常表示为 n!。例如，5 的阶乘（5!）等于 5 × 4 × 3 × 2 × 1 = 120。在脚本中，我们实现了两种方法来计算阶乘：递归法和循环法。

1. 递归法 (`factorial_recursive` 函数)

递归是一种常见的编程技术，其中函数调用自身来解决问题。在阶乘计算中，递归的基本公式是：n! = n × (n-1)!，直到 0! = 1 为止。

factorial_recursive() {
    num=$1
    if [[ ! "$num" =~ ^[0-9]+$ ]] || [ "$num" -lt 0 ]; then
        echo "错误：阶乘只能对非负整数进行计算。"
        return 1
    fi
    # 基本情况：0的阶乘为1
    if [ "$num" -le 1 ]; then
        echo 1
    else
        # 递归计算 n! = n * (n-1)!
        local prev=$(factorial_recursive $(( $num - 1 )))
        echo $(( $num * prev ))
    fi
}

递归实现的详细解析：

输入验证：首先，检查输入的数字是否是一个非负整数。如果输入无效，返回错误提示。
基本情况：当输入为 0 或 1 时，递归终止并返回 1（因为 0! = 1 和 1! = 1）。
递归调用：对于其他整数 n，通过调用 factorial_recursive 函数来计算 (n-1)!，然后将结果与 n 相乘，得到 n!。

2. 循环法 (`factorial_for` 函数)

除了递归方法外，我们还使用了循环来实现阶乘计算。循环方法的优点在于避免了递归调用可能带来的栈溢出问题，特别是在计算较大阶乘时。

factorial_for() {
    num=$1
    result=1
    if [[ ! "$num" =~ ^[0-9]+$ ]] || [ "$num" -lt 0 ]; then
        echo "错误：阶乘只能对非负整数进行计算。"
        return 1
    fi
    if [ "$num" -le 1 ]; then
        echo result
    else
        for(( i=1; i<=$num; i++))
        do
            result=$(( result * i))
        done
    fi
    echo "$result"
}

循环实现的详细解析：

输入验证：与递归方法一样，首先检查输入是否为有效的非负整数。
初始化结果变量：定义一个变量 result，初始值为 1。
循环计算：从 1 到 num，通过循环将每个整数与 result 相乘，逐步得到 n!。
返回结果：计算完成后，输出 result 作为阶乘结果。

3 选择递归与循环法的依据：

递归法：更简洁，符合数学表达式的自然定义，但对于较大数字，可能会因递归深度过大而导致栈溢出。
循环法：适用于计算大数阶乘，避免了递归可能带来的性能问题，特别是对于大范围的整数，它的效率较高。

4 使用示例：

假设用户希望计算 5!，可以通过命令行模式输入：

bash calculator.sh 5 !

无论是使用递归还是循环方法，计算器都能返回正确的阶乘结果：

结果：120

Pasted image 20241128214058

3.3 计算函数 (`calculate` 函数)

calculate 函数是该 Bash 计算器脚本的核心部分，负责执行所有的计算操作。它根据用户输入的数字、运算符及小数精度来决定采用哪种计算方式（加法、减法、乘法、除法或阶乘计算），并输出计算结果。

以下是 calculate 函数的完整代码及其详细解析：

calculate() {
    num1=$1
    operator=$2
    num2=$3

    # 判断是否输入了有效的数值
    if ! [[ "$num1" =~ ^[0-9]+(\.[0-9]+)?$ ]] || ! [[ "$num2" =~ ^[0-9]+(\.[0-9]+)?$ ]] && [ "$operator" != "!" ]; then
        echo "错误：请输入有效的数值。"
        return 1
    fi

    case $operator in
        "+"|"-"|"*"|"/")
            result=$(awk 'BEGIN{printf "%.'$decimal_precision'f\n",'$num1' '$operator' '$num2'}')
            ;;

        "!")
            result=$(factorial_for $num1)
            ;;

        *)
            echo "错误：不支持的运算符 $operator。请使用 +, -, *, / 或 !。"
            return 1
            ;;
    esac

    echo "结果：$result"
}

1. 输入参数：

num1、operator 和 num2 分别是用户输入的第一个数字、运算符和第二个数字。如果用户输入的是阶乘运算，那么 num2 并没有用到，因为阶乘只需要一个数值。

2. 输入验证

使用正则表达式检查 num1 和 num2 是否为有效的数字（包括整数和浮点数）。如果运算符是阶乘（!），则只需要验证 num1 是否为有效的数字。
如果输入无效，输出错误信息并终止函数。

if ! [[ "$num1" =~ ^[0-9]+(\.[0-9]+)?$ ]] || ! [[ "$num2" =~ ^[0-9]+(\.[0-9]+)?$ ]] && [ "$operator" != "!" ]; then
    echo "错误：请输入有效的数值。"
    return 1
fi

3. 选择运算类型

使用 case 语句判断运算符 operator，根据不同的运算符选择相应的计算方式：

加法、减法、乘法、除法：使用 awk 执行浮点数计算，awk 中的 printf 用于格式化输出结果，保留指定的小数精度（通过 decimal_precision 参数控制）。

result=$(awk 'BEGIN{printf "%.'$decimal_precision'f\n",'$num1' '$operator' '$num2'}')

这里，$decimal_precision 是在命令行中指定的精度（默认为 2），用于控制输出结果的小数位数。
bc只有除法运算时可以指定精度，所以使用awk函数。

阶乘计算：如果运算符是 !，则调用 factorial_for 函数进行阶乘计算，并将 num1 传递给它。

result=$(factorial_for $num1)

错误处理：如果输入的运算符不在支持的范围内（即不是 +、-、*、/ 或 !），则输出错误信息并提示用户使用有效的运算符。

echo "错误：不支持的运算符 $operator。请使用 +, -, *, / 或 !。"
return 1

4. 输出结果

最后，calculate 函数输出计算结果。如果计算成功，显示 "结果：$result"，否则显示错误信息。

5. 示例使用：

加法计算：用户输入：

bash calculator.sh 3 + 5

计算器输出：

结果：8.00

Pasted image 20241128214128

除法计算：用户输入：

bash calculator.sh 7 / 3

计算器输出：

结果：2.33

Pasted image 20241128214154

阶乘计算：用户输入：

bash calculator.sh 5 !

计算器输出：

结果：120

Pasted image 20241128214058

6. 小数精度设置：

如果用户希望设置浮点数运算的精度，可以通过命令行选项 -s 来指定精度。例如，设置精度为 4 位小数：

bash calculator.sh -s 4 7 / 3

输出结果：

结果：2.3333

Pasted image 20241128214226

3.4 命令行参数解析

在 Bash 脚本中，命令行参数解析是一个非常重要的功能，它允许用户在运行脚本时传递不同的参数，以定制脚本的行为。在这个计算器脚本中，我们通过 getopts 命令来解析命令行选项和参数，实现对小数精度设置、显示帮助文档等功能的支持。

以下是命令行参数解析部分的代码及其详细解析：

# 解析命令行参数
while getopts ":hs:" opt; do
    case $opt in
        h)
            show_help
            exit 0
            ;;
        s)  
            decimal_precision=$OPTARG
            if  [[ ! "$decimal_precision" =~ ^[0-9]+$ ]] || [ "$decimal_precision" -lt 0 ]; then
                echo "错误：精度必须是一个非负整数。"
                exit 1
            fi
            ;;
        \?)
            echo "无效的选项: -$OPTARG"
            echo ""
            show_help
            exit 1
            ;;
    esac
done

shift $((OPTIND - 1))

1. `getopts` 的使用：

getopts 是 Bash 提供的一个内建命令，用于解析命令行选项（也叫标志），它能逐个处理传递给脚本的选项并执行相应的操作。命令行参数解析的流程如下：

while getopts ":hs:" opt; do：这一行通过 getopts 解析命令行选项。getopts 会逐一检查每个选项并把当前的选项保存在变量 opt 中。

:h 和 s:：分别代表支持的选项。h 是一个不带参数的选项（即显示帮助文档），而 s: 表示 -s 选项需要一个附带参数（即小数精度）。
opt 是用来存储当前选项的变量，每次 getopts 解析一个选项，opt 会保存当前选项的字符。

2. 处理各个选项：

-h 选项：如果用户输入 -h，表示请求帮助文档。我们调用 show_help 函数显示帮助信息并退出脚本。

h)
	show_help
    exit 0
    ;;

-s 选项：如果用户输入 -s，表示希望设置小数精度。此时，getopts 会将 -s 后面的参数（精度值）赋给 $OPTARG。接着，我们检查这个精度值是否为非负整数，如果不符合条件则输出错误信息并退出。

s)
    decimal_precision=$OPTARG
    if  [[ ! "$decimal_precision" =~ ^[0-9]+$ ]] || [ "$decimal_precision" -lt 0 ]; then
        echo "错误：精度必须是一个非负整数。"
        exit 1
    fi
    ;;

无效选项：如果用户输入了脚本未定义的选项，getopts 会将 ? 存入 opt 变量。在这种情况下，输出错误信息并显示帮助文档。

\?)
    echo "无效的选项: -$OPTARG"
    echo ""
    show_help
    exit 1
    ;;

3. `shift $((OPTIND - 1))` 的作用：

shift 命令用于移动位置参数。在 getopts 完成选项解析后，所有的选项（如 -s）都已被处理并移出。OPTIND 是 getopts 的一个内建变量，它指示下一个位置参数的索引。shift $((OPTIND - 1)) 会将位置参数左移，以便后续处理实际的计算参数。

例如，如果用户输入了 bash calculator.sh -s 4 5 + 3，getopts 会处理 -s 4 选项，然后通过 shift 将位置参数从 5 + 3 移动到 $1 和 $2，使得后续的 calculate 函数可以处理这些参数。

4. 命令行参数解析流程示例：

假设用户运行脚本时输入了以下命令：

bash calculator.sh -s 4 7 / 3

-s 4 表示设置小数精度为 4 位。
7 / 3 是计算的算式。

解析过程如下：

getopts 解析到 -s 选项，并将 4 赋给 decimal_precision。
shift 命令移除 -s 4，剩下的位置参数为 7、/ 和 3，传递给 calculate 函数进行处理。

输出结果：

结果：2.3333

3.5 交互模式部分

交互模式是该计算器脚本的一个重要功能，它允许用户在脚本运行时通过命令行输入多个计算式，实时获得计算结果，而无需每次运行脚本。在交互模式下，用户可以连续进行计算，直到输入退出命令（如 q）为止。这种模式特别适合那些希望快速进行多次计算的用户。

以下是交互模式部分的代码及其详细解析：

# 如果没有输入算式，则进入交互模式
if [ $# -eq 0 ]; then
    echo "进入交互模式，输入数字和运算符进行计算，输入 'q' 退出"
    while true; do
        # 读取用户输入
        read -p "请输入计算式 (num1 运算符 num2) 或 'q' 退出: " num1 operator num2
        
        # 检查是否输入退出命令
        if [[ "$num1" == "q" || "$operator" == "q" || "$num2" == "q" ]]; then
            echo "退出程序"
            exit 0
        fi

        # 调用计算函数
        calculate "$num1" "$operator" "$num2"

    done
fi

1. 判断是否进入交互模式：

交互模式的激活是基于脚本启动时是否提供了命令行参数来判断的。如果用户没有提供任何参数（即没有传递计算式），脚本将自动进入交互模式。

if [ $# -eq 0 ]; then

这里，$# 表示脚本接受的参数个数。如果参数个数为零，表示没有传入算式，脚本将进入交互模式。

2. 欢迎信息：

当脚本进入交互模式时，首先输出欢迎信息，提示用户输入计算式或 q 来退出程序。

echo "进入交互模式，输入数字和运算符进行计算，输入 'q' 退出"

3. 循环读取用户输入：

进入一个无限循环，通过 read 命令获取用户的输入。在每次循环中，脚本提示用户输入计算式（例如 3 + 5），并将输入的内容分别赋值给变量 num1、operator 和 num2。read 命令会根据用户输入的空格或换行来分割输入并自动赋值。

read -p "请输入计算式 (num1 运算符 num2) 或 'q' 退出: " num1 operator num2

4. 退出条件判断：

在每次循环中，脚本会检查用户是否输入了退出命令 'q'。如果用户输入的任何部分是 'q'，则脚本会输出 "退出程序" 并结束程序。

if [[ "$num1" == "q" || "$operator" == "q" || "$num2" == "q" ]]; then
    echo "退出程序"
    exit 0
fi

这里，|| 是逻辑“或”运算符，表示如果 num1、operator 或 num2 中的任何一个为 'q'，则跳出循环并退出程序。

5. 调用计算函数：

如果用户没有输入 'q'，则脚本调用 calculate 函数，传递用户输入的 num1、operator 和 num2 来进行计算。

calculate "$num1" "$operator" "$num2"

calculate 函数会根据运算符执行对应的计算操作，并输出计算结果。

6. 循环继续：

如果用户没有输入退出命令，脚本会继续在循环中读取下一次输入，直到用户选择退出。

7. 示例使用：

用户输入计算式：

请输入计算式 (num1 运算符 num2) 或 'q' 退出: 283.324 - 456.231
结果：-172.91

用户继续计算：

请输入计算式 (num1 运算符 num2) 或 'q' 退出: 13.43 * 4.56
结果：61.24

用户选择退出：

请输入计算式 (num1 运算符 num2) 或 'q' 退出: q
退出程序

Pasted image 20241128214536

4 总结

通过这篇博客，我们介绍了如何使用 Bash 脚本实现一个简易的命令行计算器，并实现了交互模式和命令行模式的功能。这个计算器支持加、减、乘、除以及阶乘运算，能够根据用户的输入实时计算结果。以下是本文的关键要点：

功能实现：我们使用了 Bash 脚本的基本语法和控制结构，如 case、if、while 循环、函数和 getopts 命令来实现计算器的各项功能。通过递归和循环的方式，我们分别实现了阶乘的计算。
交互模式与命令行模式：通过判断命令行参数是否为空，脚本能够自动进入交互模式，允许用户实时进行多次计算。在命令行模式下，用户可以通过传递参数来直接进行单次计算。
命令行参数解析：我们使用了 getopts 来处理命令行参数，支持设置小数精度，并提供了帮助文档选项，方便用户快速查看脚本用法。需要注意的是，如果 -s 选项出现在运算式的最后，当前脚本会出现问题。为了避免这种情况，建议在命令行模式中将 -s 选项放在运算式之前，以确保精度设置能够正确生效。
简洁高效的用户体验：无论是在交互模式下连续计算，还是在命令行模式下进行单次运算，用户都能以简洁直观的方式得到想要的计算结果，极大地提高了脚本的实用性和灵活性。
扩展性与改进：这个计算器的基本框架已经搭建完成，但我们还可以进一步扩展它的功能。例如，可以加入更多数学运算、支持更高的精度、更复杂的错误处理机制，甚至是图形化界面等。

通过这篇文章，希望能够帮助大家掌握如何用 Bash 脚本编写简单的工具，同时为进一步学习 Bash 编程打下基础。希望你们能通过这个实践项目，增强对脚本语言的理解，提升编程技能。

5 附上源码

#!/bin/bash

# 显示帮助文档
show_help() {
    echo "简单计算器 支持浮点数加、减、乘、除和阶乘 by DuChuan"
    echo "支持的运算符：+ - \"*\" / !（乘法请用引号包裹\"*\"）"
    echo ""
    echo "交互模式："
    echo "  如果不传入任何参数，进入交互模式，您可以连续进行计算。"
    echo "  输入计算式（num1 运算符 num2）进行计算，输入 'q' 退出。"
    echo ""
    echo "命令行模式："
    echo "  直接传入 num1、运算符和 num2 进行一次性计算。"
    echo "  例如：bash calculator.sh -s 3 3 + 5"
    echo ""
    echo "其他帮助："
    echo "  -h  显示帮助文档。"
    echo "  '!' 用于计算阶乘，例如：bash calculator.sh 5 !"
    echo "  -s 设置小数精度（默认为2）命令行模式需要在算式前设置。例如：bash calculator.sh -s 3 3.5 * 2"
}

factorial_recursive() {
    num=$1
    if [[ ! "$num" =~ ^[0-9]+$ ]] || [ "$num" -lt 0 ]; then
        echo "错误：阶乘只能对非负整数进行计算。"
        return 1
    fi
    # 基本情况：0的阶乘为1
    if [ "$num" -le 1 ]; then
        echo 1
    else
        # 递归计算 n! = n * (n-1)!
        local prev=$(factorial_recursive $(( $num - 1 )))
        echo $(( $num * prev ))
    fi
}

factorial_for() {
    num=$1
    result=1
    if [[ ! "$num" =~ ^[0-9]+$ ]] || [ "$num" -lt 0 ]; then
        echo "错误：阶乘只能对非负整数进行计算。"
        return 1
    fi
    if [ "$num" -le 1 ]; then
        echo result
    else
        for(( i=1; i<=$num; i++))
        do
            result=$(( result * i))
        done
    fi
    echo "$result"
}


calculate() {
    num1=$1
    operator=$2
    num2=$3

    # 判断是否输入了有效的数值
    if ! [[ "$num1" =~ ^[0-9]+(\.[0-9]+)?$ ]] || ! [[ "$num2" =~ ^[0-9]+(\.[0-9]+)?$ ]] && [ "$operator" != "!" ]; then
        echo "错误：请输入有效的数值。"
        return 1
    fi

    case $operator in
        "+"|"-"|"*"|"/")
            result=$(awk 'BEGIN{printf "%.'$decimal_precision'f\n",'$num1' '$operator' '$num2'}')
            ;;
        "!")
            result=$(factorial_for $num1)
            ;;
        "*")
            echo "错误：不支持的运算符 $operator。请使用 +, -, * 或 /。"
            return 1
            ;;

    esac

    echo "结果：$result"
    
}

decimal_precision=2

# 解析命令行参数
while getopts ":hs:" opt; do
    case $opt in
        h)
            show_help
            exit 0
            ;;
        s)  
            decimal_precision=$OPTARG
            if  [[ ! "$decimal_precision" =~ ^[0-9]+$ ]] || [ "$decimal_precision" -lt 0 ]; then
                echo "错误：精度必须是一个非负整数。"
                exit 1
            fi
            ;;
        \?)
            echo "无效的选项: -$OPTARG"
            echo ""
            show_help
            exit 1
            ;;
    esac
done

shift $((OPTIND - 1))

# 如果没有输入算是，则进入交互模式
if [ $# -eq 0 ]; then
    echo "进入交互模式，输入数字和运算符进行计算，输入 'q' 退出"
    while true; do
        # 读取用户输入
        read -p "请输入计算式 (num1 运算符 num2) 或 'q' 退出: " num1 operator num2
        
        # 检查是否输入退出命令
        if [[ "$num1" == "q" || "$operator" == "q" || "$num2" == "q" ]]; then
            echo "退出程序"
            exit 0
        fi

        # 调用计算函数
        calculate "$num1" "$operator" "$num2"

    done
fi

# 检查输入是否符合格式
if [ $# -ne 3 ] && [ $# -ne 2 ]; then
    echo "错误：请输入 num1 运算符 num2 或 num1 运算符（阶乘）。"
    echo ""
    show_help
    exit 1
fi

# 调用计算函数
calculate "$1" "$2" "$3" "$decimal_precision"