18、深入探索Shell变量与相关编程知识

深入探索Shell变量与相关编程知识

1. 常见Shell变量介绍

在Shell编程中，有许多重要的变量，它们各自有着独特的用途。
- LINES ： select 内置命令使用该变量来确定打印选择列表的列长度。当接收到 SIGWINCH 信号时，它会自动设置。
- MAIL ：若该参数设置为文件名，且 MAILPATH 变量未设置， bash 会通知用户指定文件中有新邮件到达。
- MAILCHECK ：指定 bash 检查邮件的时间间隔（以秒为单位），默认值为60秒。当到检查邮件的时间时， shell 会在显示主提示符之前进行检查。若该变量未设置或设置的值不是大于等于零的数字， shell 将禁用邮件检查。
- MAILPATH ：这是一个以冒号分隔的文件名列表，用于检查邮件。当邮件到达特定文件时要打印的消息，可以通过在文件名和消息之间用 ? 分隔来指定。在消息文本中使用 $_ 会扩展为当前邮件文件的名称。例如：

MAILPATH='/var/mail/bfox?"You have mail":~/shell-mail?"$_ has mail!"'

bash 会为该变量提供默认值，但它使用的用户邮件文件的位置取决于系统（例如， /var/mail/$USER ）。
- OPTERR ：若设置为值 1 ， bash 会显示 getopts 内置命令生成的错误消息。每次调用 shell 或执行 shell 脚本时， OPTERR 会初始化为 1 。
- PATH ：这是命令的搜索路径，是一个以冒号分隔的目录列表， shell 会在这些目录中查找命令。 PATH 值中的零长度（空）目录名表示当前目录，空目录名可以表现为两个相邻的冒号，或者作为开头或结尾的冒号。默认路径取决于系统，由安装 bash 的管理员设置，常见的值为 /usr/gnu/bin:/usr/local/bin:/usr/ucb:/bin:/usr/bin 。

2. 影响Shell模式和提示的变量

• POSIXLY_CORRECT ：如果在 bash 启动时该变量存在于环境中， shell 会在读取启动文件之前进入 POSIX 模式，就好像提供了 --posix 调用选项一样。如果在 shell 运行时设置该变量， bash 会启用 POSIX 模式，就好像执行了 set -o posix 命令。
• PROMPT_COMMAND ：若设置了该变量，其值会在每次发出主提示符之前作为命令执行。
• PROMPT_DIRTRIM ：若设置为大于零的数字，该值会在扩展 \w 和 \W 提示字符串转义符时，用作保留的尾部目录组件的数量。被移除的字符会被省略号替换。
• PS1 ：该参数的值会被扩展并用作主提示字符串，默认值为 "\s-\v\$ " 。
• PS2 ：该参数的值与 PS1 一样会被扩展，并用作次要提示字符串，默认值为 "> " 。
• PS3 ：该参数的值用作 select 命令的提示。
• PS4 ：该参数的值与 PS1 一样会被扩展，并且在 bash 执行跟踪期间显示每个命令之前会打印该值。 PS4 的第一个字符会根据需要多次复制，以表示多级间接引用，默认值为 "+ " 。
• SHELL ：该环境变量保存着 shell 的完整路径名。如果在 shell 启动时未设置该变量， bash 会将当前用户的登录 shell 的完整路径名赋给它。

3. 时间、超时和临时目录相关变量

• TIMEFORMAT ：该参数的值用作格式字符串，指定如何显示以 time 保留字开头的管道的计时信息。 % 字符引入一个转义序列，会扩展为时间值或其他信息。转义序列及其含义如下（花括号表示可选部分）：
  • %% ：表示字面的 % 。
  • %[p][l]R ：表示经过的秒数。
  • %[p][l]U ：表示在用户模式下花费的 CPU 秒数。
  • %[p][l]S ：表示在系统模式下花费的 CPU 秒数。
  • %P ：表示 CPU 百分比，计算方式为 (%U + %S) / %R 。可选的 p 是一个数字，指定精度，即小数点后的小数位数。值为 0 时不会输出小数点或小数部分，最多可以指定小数点后三位； p 值大于 3 时会改为 3 。如果未指定 p ，则使用值 3 。可选的 l 指定更长的格式，包括分钟，形式为 MMmSS.FFs 。 p 的值决定是否包含小数部分。如果该变量未设置， bash 的行为就好像它的值为 $'\nreal\t%3lR\nuser\t%3lU\nsys%3lS' 。如果值为空，则不显示计时信息。显示格式字符串时会添加一个尾随换行符。
• TMOUT ：若设置为大于零的值， TMOUT 会被视为 read 内置命令的默认超时时间。当输入来自终端时，如果在 TMOUT 秒后没有输入， select 命令会终止。在交互式 shell 中，该值会被解释为发出主提示符后等待输入的秒数。如果在等待该秒数后仍未收到输入， bash 会终止。
• TMPDIR ：若设置了该变量， bash 会使用其值作为创建临时文件的目录名，以供 shell 使用。

4. 作业控制和历史扩展变量

• auto_resume ：该变量控制 shell 与用户和作业控制的交互方式。如果设置了该变量，没有重定向的单字简单命令会被视为恢复现有停止作业的候选命令。不允许有歧义；如果有多个作业以输入的字符串开头，则选择最近访问的作业。在这种情况下，停止作业的名称是启动它的命令行。如果设置为 exact ，输入的字符串必须与停止作业的名称完全匹配；如果设置为 substring ，输入的字符串只需与停止作业的名称的子字符串匹配。 substring 值提供的功能类似于 %? 作业标识符。如果设置为其他值，输入的字符串必须是停止作业名称的前缀，这提供的功能类似于 %string 作业标识符。
• histchars ：由两个或三个字符组成，用于控制历史扩展和分词。第一个字符是历史扩展字符，通常为 ! ，表示历史扩展的开始；第二个字符是快速替换字符，默认是 ^ ，用于作为重新运行上一个输入命令的简写，在命令中用一个字符串替换另一个字符串；可选的第三个字符是历史注释字符，通常为 # ，当它作为单词的第一个字符时，表示该行的其余部分是注释，会跳过该行其余单词的历史替换，但不一定会使 shell 解析器将该行其余部分视为注释。

5. 其他相关知识

在Shell编程中，还有许多其他方面的知识。例如，在数据处理方面，数组是非常重要的。数组有多种类型，如关联数组、索引数组等。关联数组可以通过键值对的方式存储数据，索引数组则通过整数索引来访问元素。在文件操作中，有许多常用的命令，如 cat 用于连接文件并打印到标准输出， head 用于显示文件的开头部分， touch 用于创建或更新文件的时间戳， ls 用于列出目录内容等。

下面是一个简单的流程图，展示了 MAILCHECK 检查邮件的过程：

graph TD;
    A[开始] --> B{是否到检查邮件时间};
    B -- 是 --> C[检查邮件];
    B -- 否 --> D[等待];
    C --> E{是否有新邮件};
    E -- 是 --> F[通知用户];
    E -- 否 --> D;
    F --> D;
    D --> B;

在字符串操作方面，有多种方法可以对字符串进行处理，如拼接、大小写转换、去除多余字符等。例如，可以使用 += 操作符进行字符串拼接：

str="Hello"
str+=" World"
echo $str  # 输出: Hello World

在命令行解析和扩展方面，有多种扩展方式，如引号扩展、花括号扩展、波浪号扩展等。例如，花括号扩展可以用于生成一系列字符串：

echo {a,b,c}  # 输出: a b c

在调试脚本时，有一些实用的技巧和变量。例如， PS4 变量可以用于在执行跟踪时显示命令的详细信息， set -x 选项可以开启调试模式，显示脚本执行的每一条命令。

总之，Shell编程涉及到众多的变量、命令和操作技巧，通过合理运用这些知识，可以编写出高效、稳定的脚本。

6. 数组相关知识详解

数组在Shell编程的数据处理中起着关键作用，不同类型的数组有着各自的特点和用途。
- 关联数组 ：关联数组以键值对的形式存储数据。在使用前需要先声明，使用 declare -A 命令进行声明。例如：

declare -A my_array
my_array["key1"]="value1"
my_array["key2"]="value2"
echo ${my_array["key1"]}  # 输出: value1

关联数组可以将不同类型的数据关联起来，方便数据的存储和访问。
- 索引数组 ：索引数组通过整数索引来访问元素。可以直接赋值创建，例如：

my_indexed_array=(element1 element2 element3)
echo ${my_indexed_array[1]}  # 输出: element2

索引数组的元素可以是任意类型的数据，按照索引顺序存储。
- 数组操作 ：数组有多种操作方法，如排序、搜索等。可以使用 sort 命令结合 mapfile 来对数组进行排序，示例如下：

my_array=(3 1 2)
IFS=$'\n' sorted=($(sort <<<"${my_array[*]}"))
unset IFS
for i in "${sorted[@]}"; do
    echo $i
done

搜索数组元素可以使用自定义函数，例如：

asearch() {
    local array=("$@")
    local search=$1
    for i in "${array[@]:1}"; do
        if [[ $i == $search ]]; then
            return 0
        fi
    done
    return 1
}
my_array=(apple banana cherry)
if asearch banana "${my_array[@]}"; then
    echo "Found banana"
else
    echo "Not found"
fi

7. 文件操作相关命令及选项

在文件操作中，有许多常用的命令和选项可以帮助我们完成各种任务。
| 命令 | 功能 | 示例 |
| ---- | ---- | ---- |
| cat | 连接文件并打印到标准输出，可用于查看文件内容 | cat file.txt |
| head | 显示文件的开头部分，默认显示前10行 | head -n 5 file.txt |
| touch | 创建或更新文件的时间戳 | touch new_file.txt |
| ls | 列出目录内容，可使用不同选项进行筛选和排序 | ls -l |
| cut | 从文件中提取指定字段 | cut -d ',' -f 1 file.csv |
| wc | 统计文件的行数、字数和字节数 | wc -l file.txt |
| grep | 在文件中搜索匹配的字符串 | grep "keyword" file.txt |
| sed | 流编辑器，可用于文本替换和处理 | sed 's/old/new/g' file.txt |
| awk | 文本处理工具，可进行数据提取和计算 | awk '{print $1}' file.txt |

此外，还有一些文件名称扩展选项，如 nullglob 、 failglob 、 dotglob 、 extglob 、 nocaseglob 和 globstar 等。例如， nullglob 选项会使没有匹配到文件的模式扩展为空，避免出现错误：

shopt -s nullglob
files=(*.txt)
if [[ ${#files[@]} -eq 0 ]]; then
    echo "No .txt files found"
else
    for file in "${files[@]}"; do
        echo $file
    done
fi

8. 命令行解析和扩展方式

命令行解析和扩展是Shell编程中的重要部分，有多种扩展方式可以提高编程效率。
- 引号扩展 ：引号可以控制变量和命令的扩展方式。单引号会禁止所有扩展，双引号会允许部分扩展，如变量扩展和命令替换。例如：

name="John"
echo 'My name is $name'  # 输出: My name is $name
echo "My name is $name"  # 输出: My name is John

• 花括号扩展 ：花括号扩展可以用于生成一系列字符串，提高命令的编写效率。例如：

echo {file1,file2,file3}.txt  # 输出: file1.txt file2.txt file3.txt

• 波浪号扩展 ：波浪号 ~ 会扩展为用户的主目录。例如：

echo ~  # 输出用户主目录路径

• 参数和变量扩展 ：可以对参数和变量进行各种扩展操作，如获取默认值、长度等。例如：

var="value"
echo ${var:-default}  # 若 var 为空，输出 default，否则输出 var 的值
echo ${#var}  # 输出 var 的长度

9. 脚本调试技巧

在编写脚本时，调试是必不可少的环节。以下是一些常用的调试技巧和相关变量：
- PS4 变量 ： PS4 变量用于在执行跟踪时显示命令的详细信息。可以通过设置 PS4 变量来改变调试信息的显示格式。例如：

PS4='+ $LINENO: '
set -x
echo "This is a test"
set +x

• set -x 选项 ：开启调试模式，显示脚本执行的每一条命令。在调试复杂脚本时非常有用。例如：

set -x
for i in {1..3}; do
    echo $i
done
set +x

• set -u 选项 ：当使用未定义的变量时，会抛出错误，帮助我们发现脚本中的潜在问题。例如：

set -u
echo $undefined_var  # 会抛出错误

10. 总结

Shell编程涵盖了丰富的知识，包括各种Shell变量的使用、数组操作、文件操作、命令行解析和扩展以及脚本调试等方面。通过合理运用这些知识，可以编写出高效、稳定且功能强大的脚本。在实际应用中，需要不断实践和探索，深入理解各个知识点的原理和用法，才能更好地应对各种编程需求。

下面是一个流程图，展示了脚本调试的基本过程：

graph TD;
    A[开始脚本执行] --> B{是否开启调试模式};
    B -- 是 --> C[显示命令执行信息];
    B -- 否 --> D[正常执行脚本];
    C --> E{是否遇到错误};
    E -- 是 --> F[分析错误原因];
    E -- 否 --> D;
    F --> G[修改脚本];
    G --> A;

希望通过本文的介绍，能让大家对Shell编程有更深入的了解和掌握，在实际编程中能够灵活运用这些知识，提高编程效率和质量。