bash 基本觀念

何謂 shell ?

以 Unix-Like 的作業系統為例，shell 是介於使用者與 OS 之間的的交談介面。所有來自使用者的指令，都會被 shell 轉換為 OS 可以認得的命令並執行，相對的，OS 所回傳的內容自然也會被 shell 轉換為使用者可以辨識的訊息。

以下用一張簡單的圖來說明使用者、shell、OS 三者的關係：


shell 其中一個很重要的工作，就是將使用者所下達的指令，轉換為可以交由 OS 所執行的命令，以下用一個簡單的 command 為例：

shell> sort -n phonelist > phonelist.sorted

以上指令的作用，在於將 phonelist 檔案中的內容，以數字大小進行排列後，輸出至檔案 phonelist.sorted 中。

而 shell 是如何將此段指令進行轉換呢? 它做了以下步驟：

1. 將整段指令分解為「sort」、「-n」、「phonelist」、「>」、「phonelist.sorted」五個部分，每個部分皆稱為 word。
2. 判斷每個 word 的目的為何：
   「sort」是排序的指令、「-n」以及「phonelist」是參數、「>」以及「phonelist.sorted」被合在一起視為一個 I/O 的指令。
3. 啟動一個 I/O 的動作，準備將內容寫入 phonelist.sorted 中。
4. 開始將原檔案進行排序。

每個步驟的執行細節就不在這邊介紹，這裡只是要表達出 shell 在 parse 一個指令大概的流程為何。


bash 的特色與優點

在之後針對 shell 的介紹，都是以 bash 為主，因為它是目前最流行的 shell，功能也相對最為強大；而到底 bash 有哪些特色與優點呢? 以下有兩篇好文章，說明的相當詳細：

1. Shell by OSL3
2. 使用 bash 的優點

檔案

在 bash 中，檔案被分為三種，分別是純文字檔、執行檔(binary)、以及目錄(directory)，其中目錄結構在學習 Linux 上是個相當重要的議題，不過這邊並不贅述，主要把重心放在 bash 上，而且盡量寫些大家容易忘記的部分。

所以像是符號「~」代表使用者家目錄，這種很基本的觀念，就不再多著墨了!

【備註】在 Unix-Like 的檔案系統，沒有所謂的「副檔名」，並非像 Windows 一樣，*.txt 代表純文字檔、*.exe 代表執行檔....等等，這是必須注意的!

1、檔案名稱與萬用字元

首先，要說明的是隱藏檔，在 Windows 中，隱藏檔是以檔案的屬性來決定；不過在 Linux 中，隱藏檔的檔名則是以「.」作為開頭。

接著介紹萬用字元(wildcard)，基本的萬用字元有以下幾種：

萬用字元	符合的內容
?	任何單一字元
*	一個或多個任何字元
[set]	符合[set]中設定的任何字元
[!set]	不符合[set]中設定的任何字元

其中 ? 與 * 的差別就是符合單一字元或是多個字元而已，以下介紹 [set] 的用法：

[set] 描述	符合的內容
[abc]	a or b or c
[.,;]	句號 or 逗號 or 分號
[-_]	減號 or 底線
[a-c]	a or b or c
[a-z]	任一小寫英文字母
[!0-9]	任一非數字字元
[0-9!]	任一數字 or 驚嘆號
[a-zA-Z]	任一英文字母
[a-zA-Z0-9_-]	任一英文字母 or 數字 or 底線 or 減號

以下用個簡單例子來說明，假設有兩個目錄 /home/user1 以及 /home/user2，想要一次把這兩個目錄列表出來，可以用下指令：

shell> ls /home/user*

假如又要列出上述兩個目錄中，名稱為 a 或是 c 開頭的目錄或檔案，可用以下指令：

shell> ls /home/user*/[ac]*

其他的應用，就是由使用者自行去發揮了!

2、Brace Expansion

在 bash 3.0 以後，提供了 Brace Expansion 的功能，它是以左右大括號來設定字元的篩選條件，的用法跟 wildcard 有點不太一樣，以下直接用範例來說明：

Brace Expansion	符合的內容
b{ed,olt,ar}s	beds, bolts, bars
b{ar{d,n,k},ed}s	bards, barns, baeks, beds
{2..5}	2 or 3 or 4 or 5
{d..h}	d or e or f or g or h

輸入與輸出(I/O)

1、Standard I/O

所謂的 standard Input，可能是來自使用者的鍵盤、或是某個檔案內容； standard output 可能就是使用者的螢幕、印表機、或是其他輸出設備....等等，不過這些都是基本的，一般的 shell 都一定會支援的。

而為了讓 I/O 在使用上更有彈性，bash 支援了 pipeline(管線) 的功能，透過 pipeline 的方式，可以將多個程式結合起來，將 A 程式的 output 當作是 B 程式的 input，如此一來，就可以藉由此方式來完成更複雜的 I/O 工作了! 例：將 mail 檔案中的內容直接透過 lp 指令輸出到印表機上，而不是顯示在螢幕上。

pipeline 的支援，讓許多複雜的 I/O 工作變得容易完成，加上之後會介紹的 filtering 的功能(Linux 中有許多用在 filtering 的指令，例如：cat、grep、sort、cut、sed、tr....等等)，便可以撰寫 shell script 來自動完成許多日常工作。

2、I/O Redirection

redirection 的功能可用來取代原本的 standard input 以及 standard output，分別以符號「<」代表 input，符號「>」代表 output，以下用個範例來說明：

shell> cat < file1 > file2

上述指令會將 file1 的內容複製一份變成 file2，效果等同一下的指令：

shell> cp file1 file2

瞭解了嗎? 在 bash shell 中，I/O 是可以做很多不同變化的。

3、Pipeline

在 standard I/O 中就有提到 pipeline 啦! 它的作用就是將某支程式所產生出來的 output 丟給另一支程式作為 input，所使用的符號為「|」，透過此符號將兩個以上不同的指令連結起來，讓前面指令的 output 成為下一個指令的 input。

以下舉個簡單例子：

shell> ls -al /home | more

此指令會將 /home 目錄中的子目錄以及檔案通通列出來，包含隱藏檔，但是若內容很多，超過畫面一頁可以顯示的範圍，就透過 pipeline，將輸出交給 more 指令來做分頁瀏覽的效果，甚至可以交由 lp 指令直接從印表機輸出。

不過當然實際情況不會這麼簡單，在舉個例子，以儲存使用者帳號資訊的檔案 /etc/passwd 為例，每個使用者的帳號都會一行一行的存於此檔案中，格式如下：

man:x:6:12:man:/var/cache/man:/bin/sh

每行中都包含著非常多的資訊，並且以冒號(:)作為間隔，至於這些資訊代表什麼意思，這邊不多做探討，假設我們只需要使用者帳號的部分，如果管理者希望將使用者帳號以字母的順序作排序後，並交由印表機列印出來，則可透過以下指令來完成：

shell> cut -d: -f1 < /etc/passwd | sort | lp

# 以下指令跟上面的相同
shell> cut -d: -f1 /etc/passwd | sort | lp

看見了嗎? 在指令中把 redirection 跟 pipeline 的功能一起用上了! 如此一來達成我們想要的效果。當然，更複雜的指令也是可以完成，只是這就必須要透過大家的巧思了。


工作管理

由於 Unix-Like 系統強大的工作管理功能，不但讓使用者可以下指令同時做多個工作，也可以讓多個不同使用者同時登入，每個使用者有不同的 login session，可說是真正的 Multi-User 的操作環境。

在下指令進行某工作時，一般正常情況下，必須等到工作處理結束，才可以下另一個指令，但若是工作要處理很久的(例如：大型檔案的搬移)，那可就要等半天囉! 但若不想這樣等，可以在指令的最後加上符號「&」，如此一來，工作就會移至背景去執行，馬上就可以下達下一個指令來處理另外一個工作了!

而透過加入符號「&」的指令所處理的工作，會產生一個 process number，供使用者隨時檢視之用，還可以使用 renice 的指令調整工作的處理優先權；此外，若要瞭解目前移至背景處理的工作的狀況，可用指令 jobs 來檢視。

不過需要注意的是，一般的 I/O 工作並不適合移到背景去執行，原因如下：

1. 因為假如被移到背景的 I/O 工作需要使用者的 input，此時整個工作就會 stop，直到使用者將工作刪除，或是移回前景(foreground)來處理才會繼續。
2. 假設被移至背景處理的 I/O 工作有任何資料要輸出時，一樣會出現在使用者的螢幕上，這樣一來，就會跟使用者正在處理的工作所產生的訊息混合輸出，造成螢幕訊息很混亂。不過這當然這也不是沒有解決方法，只要利用 redirection 的方式將輸出訊息轉到檔案或是 /dev/null 中，就可以解決此問題了!
   

特殊字元及引號

Unix-Like 系統提供了強大的功能，當然也需要有許多不同的特殊符號來搭配使用，例如「<」以及「>」使用來處理 I/O redirection，「&」則是將工作移至背景處理....等等，以下介紹各種不同特殊字元及引號的用法：

字元	功能說明
~	home directory
`	command substitution
#	comment
$	variable expression
&	background job
*	string wildcard
(	start subshell
)	end subshell
\	quote next character
|	pipe
[	start character-set wildcard
]	end character-set wildcard
{	start command block
}	end command block
;	shell command separator
'	strong quote
<">	weak quote
<	input redirect
>	output redirect
/	pathname directory separator
?	single-character wildcard
!	pipeline logical NOT

1、引號與跳脫字元的使用

當使用者要在螢幕上單純顯示上述這些符號，為了讓 shell 不會誤判為特殊用途，必須搭配引號以及跳脫字元使用，假設我們要在螢幕上輸出「2 * 3 > 5 is a valid inquality」這一行訊息，其中包含了「*」及「>」兩個特殊字元，以下用幾個例子說明：

# 無法顯示正確訊息，反而會有其他非預期的訊息輸出至名稱為「5」的檔案中
shell> echo 2 * 3 > 5 is a valid inquality

# 正確顯示
shell> echo '2 * 3 > 5 is a valid inquality'

# 正確顯示
shell> '2 * 3 > 5' is a valid inquality

# 正確顯示
shell> echo 2 \* 3 \> 5 is a valid inquality

假設要顯示的訊息中，有引號呢? 如果這次訊息換成「"2 * 3 > 5" is a valid inquality」，這就一定非得要跳脫字元的協助不可了，可用以下指令來完成此需求：

shell> echo \"2 \* 3 \> 5\" is a valid inquality

2、指令過長的處理方式

當使用者下的指令很長時，應該要怎麼處理呢? 這時候可以使用反斜線(\)，也就是要使用跳脫字元所用的反斜線，shell 會認為指令尚未結束，讓使用者在下一行繼續輸入。

3、控制鍵

控制鍵可以在許多情況下可能會用到，例如：不小心下錯指令，要趕快停止時，按 Ctrl+C 停止指令的執行；或是想要暫停目前的工作，可按 Ctrl+Z.....等等，善用這些熱鍵，可讓工作更為順利，以下介紹常用的控制鍵：

控制鍵	功能說明
Ctrl + C	終止目前執行中的命令
Ctrl + D	結束輸入
Ctrl + \	終止目前執行中的命令(假設 Ctrl+C 沒有效用的話)
Ctrl + S	停止螢幕輸出訊息
Ctrl + Q	重新輸出訊息至螢幕
Del or Ctrl + ?	清除最後一個字元
Ctrl + U	清除目前命令列中的指令
Ctrl + Z	暫停目前的工作

參考資料：

1. 認識 Bash Shell
2. GNU Bash
3. Shell by OSL3
4. 使用 bash 的優點
5. Learning the bash Shell, Third Edition