What is Shell?

也许是电脑最原始的交互方式

Shell 介绍

现在的电脑有非常多的交互方式，图形，声音甚至是 AR/VR。但是他们基本都限制了你能做什么，也就是你只能使用已有的功能，而不能去执行一些不存在的功能。

为了更好的使用电脑，我们需要回到最原始的文本交互方式，也就是 Shell

Shell 也是一种编程语言，你可以在 Shell 中实现 while 循环，for 循环，条件语句，甚至你可以编写函数等等

Missing semester master 课程中老师使用的是 Bourne Again Shell

Shell 的简单使用

当打开终端的的时候可以看到 Shell 的提示符

ekko@Ling:~/桌面$

• ekko@Ling 用户名@机器名称
• ~/桌面 当前所在路径
  • ~ home的简写
  • $ 表示你不是根用户（tells you that you are not the root user）

你可以在 $ 后输入命令（你想要让 Shell 做的事情）

命令通常是非常简单的东西，像是给定参数，然后执行程序

参数就是在命令后面一空格分隔的东西

• 执行 date 这个程序

  ekko@Ling:~/桌面$ date
  2023年 06月 20日 星期二 21:27:21 CST

• 你也可以带有参数的执行程序，这是修改程序行为的一种方式，比如使用 echo

  ekko@Ling:~/桌面$ echo Hello
  Hello

  echo 会打印参数，当你的参数是带有空格的时候，可以用引号将参数括起来，也可以使用 \ 将空格转义

• 当然如果你坚持不转义空格，或者使用引号将被空格分开的参数括起来，对于 echo 命令来说也没有什么大不了，但是如果你想要创建一个名称为 “my photos” 的文件夹时，就会出现问题

  ekko@Ling:~/桌面$ mkdir "my photos"
  ekko@Ling:~/桌面$ mkdir my photos

  第一条命令，将会正确创建 “my photos” 的文件夹

  第二条命令，将会创建两个文件夹，“my” 和 “photos”

一个自然的问题，Shell 是如何知道怎样执行所输入的程序呢？（也就是他为什么接收到 echo 就会打印他的参数呢？）

原因是，有一些内置程序是计算机自带的，还会附带一些面向终端的应用程序，这些应用程序，存储在你的文件系统中，Shell 有一种方法可以确定程序的位置，通过使用环境变量。

环境变量

环境变量是在启动 Shell 时设置的东西，它们并不是你每次运行 Shell 时都必须设置的东西。

有一些已经被设置好的变量，像是你的主目录在哪里，你的用户名是什么...

要查看搜索路径，有一个至关重要的变量，即路径变量

• $PATH 路径变量

  同样我们可以使用 echo 将其打印

  ekko@Ling:~/桌面$ echo $PATH
  /usr/local/sbin:/usr/local/bin:/usr/sbin:/usr/bin:/sbin:/bin:/usr/games:/usr/local/games:/snap/bin

  将会显示所有的路径列表，Shell 就是在这些路径里搜索程序的

  这是一个用 : 分隔的列表，每次你键入命令，它都会在计算机上搜索这个路径列表，并在每个目录中查找，与你尝试运行的命令匹配的程序或文件的名称

• 如果想要知道实际运行的是哪个程序，可以使用 which 命令

  ekko@Ling:~/桌面$ which echo
  /usr/bin/echo

  他告诉我，如果我想要运行 echo ，将会运行这个路径下的程序

路径

路径是一种描述计算机上文件位置的方式

在 Linux 和 macOS 上，这些路径是由斜杠 / 分隔的

在 Windows 上，这样的路径通常用反斜杠 \ 分隔

在 Linux 和 macOS，所有内容都属于根命名空间，因此所有路径都以斜杠或绝对路径开头；在 Windows 上，每个分区都有一个根目录，因此你可能看到 “C:\” 或 “D:\” 的路径

/usr/bin/echo

对于这样一个路径，从根目录出发，查看名为 “usr” 的目录，然后查看名为 “bin” 的目录，然后查看名为 “echo” 的文件

• 绝对路径：能够完全确定文件位置的路径
• 相对路径：相对于你当前所在的位置的路径

想要找出当前位置，可以使用 pwd 命令（print working directory）

它将打印出我当前所在的路径

ekko@Ling:~/桌面$ pwd
/home/ekko/桌面

所有的相对路径都是相对于当前工作目录而言的，同样的，我也可以改变我的当前工作目录，通过使用 cd 命令（change directory）

ekko@Ling:~/桌面$ cd /home
ekko@Ling:/home$ 

同时也有几个特殊的目录存在

• . 表示当前目录

• .. 表示父目录

• 这也是一个快速切换工作目录的方式

  ekko@Ling:~/桌面$ cd ..
  ekko@Ling:~$

  快速回到上一级目录

• 也可以通过相对路径，切换工作目录

  ekko@Ling:/$ cd ./home
  ekko@Ling:/home$

  切换到当前目录下的home目录

• 当然如果切换到没有的目录，他也会给出没有的提示

  ekko@Ling:/home$ cd ./home
  bash: cd: ./home: No such file or directory

通过构建路径，来遍历文件系统的方法

一般情况下，我们可以任意使用相对路径和绝对路径，使用两者中最简单的

而如果你编写了一个程序，想要在任何情况下都能运行，那么应该给出绝对路径，因为如果给出相对路径，在工作目录切换时，会出现无法成功运行的现象

通常当我们运行程序时，它默认会在当前工作目录下进行操作，除非给出参数，这非常方便，意味着我们通常不需要提供完整路径，我们只需要使用文件名和当前所在的目录。

• 有些时候我们想要知道当前工作目录下有哪些文件，这时候就需要 ls 命令

  ekko@Ling:/$ ls
  bin		dev		lib		libx32		mnt		root
  boot	etc		lib32	lost+found	opt		run
  cdrom	home	lib64	media		proc	sbin

  快速浏览当前位置文件

• 或者 ls {路径} 将参数作为路径传入，可以得到对应路径下的所有文件

  ekko@Ling:/$ ls /home
  ekko

• ~ 总是拓展到主目录，所以可以使用 ~ 来写相对路径

  ekko@Ling:/$ cd ~
  ekko@Ling:~$ pwd
  /home/ekko

• - 切换到之前所在的目录

  ekko@Ling:~$ cd -
  /
  ekko@Ling:/$ cd -
  /home/ekko

对于程序的参数，大多数程序会采用所谓的参数，如标志和选项，这些标志和选项通常以 - 开头

• --help 大多数程序都实现了这个选项

  ekko@Ling:~$ ls --help
  打印出大量该命令的帮助信息

  你将看到程序的功能描述，和各种可用的标志和选项的详细说明

  通常我们称 -{单个字母} （单个破折号和单个字母的组合）为标志（flag），不带任何值的内容也是标志，带有值的东西为选项（option）

  例如：-a 和 --all 都是标志，-C 和 --color 是选项

• -l ls 命令加该参数，可以提供很多非常有用的额外信息

  ekko@Ling:/$ ls -l
  总用量 945500
  lrwxrwxrwx	1 root root			7 6月  19 09:10 bin -> usr/bin
  drwxr-xr-x	4 root root		 4096 6月  19 09:15 boot
  drwxr-xr-x	2 root root		 4096 6月  19 09:11 cdrom

  以上的额外信息

  • d 表示这些条目是一个目录

  • rwxr-xr-x之后的字母表示为该文件设置的权限阅读方法是

    每三个字符为一组，分别是 r 读取（read）， w 写入（write）， x 执行（execute），- 没有该项权限

    • rwx 前三个字符的第一组为文件的所有者设置的权限
    • r-x 第二组三个字符是为拥有该文件的组设置的权限。在这种情况下，所有这些文件也都是由root组拥有的
    • r-x 最后一组三个字符是其他人的权限列表，所以对于那些不是文件或目录所有者或组所有者的人来说

    对于文件来说：

    • 有读取权限，你就可以阅读文件

    • 有写入权限，你就可以保存文件，添加内容，或者替换它

    • 有执行权限，你就可以执行那个文件

    对于目录来说，这些权限的含义稍有变化：

    • 有读取权限，你被允许看到这个目录中的文件
    • 有写入权限，你被允许在该目录中重命名、创建或删除文件
    • 有执行权限，是所谓的搜索权限，你被允许进入该目录。也就是如果你想要操作目录中的文件或者使用 cd 命令进入某个目录，你必须拥有该目录及其所有父目录的执行权限

    假如，你对一个文件有写入权限，但是对文件所在目录没有写入权限，那么你可以清空这个文件，但是不能删除它，因为清空文件，相当于修改文件，与文件的写入权限有关；而删除文件，是与文件所在目录的写入权限有关

  • 还有 s ， t ， l （查资料）

• mv 将文件从旧路径移动到新路径，可以更改文件名但不改变目录，也可以将文件移动到完全不同的目录中

  mv {旧路径} {新路径}

  ekko@Ling:~/桌面$ mv 1 2

  将文件名由 1 改成 2

  ekko@Ling:~/桌面$ mv 1 ./my

  将文件 1 移动到当前目录下的my目录中

• cp 将第一个路径上的文件复制一份到第二个路径上

  ekko@Ling:~/桌面$ cp hello ./1

• rm 删除给定路径上的文件

  ekko@Ling:~/桌面$ rm ./1

  Linux 中删除操作不会递归进行，因此不能够通过 rm 操作来删除一个目录

• 可以通过添加 -r 标志来递归删除指定目录下的所有文件

  ekko@Ling:~/桌面$ rm -r ./1

• 当然可以通过 mkdir 来创建一个目录

  ekko@Ling:~/桌面$ mkdir "new photos"

• 也可以通过 rmdir 来删除目录

  ekko@Ling:~/桌面$ rmdir newdir

  但是该命令只能删除空目录，这是一种安全机制，防止你误删

如果你想要更多关于命令在这些平台上如何工作的信息，有一个非常方便的命令

• man 以另一个程序的名称作为参数，给出他的手册页

  ekko@Ling:~/桌面$ man ls
  给出ls的手册页

  和 ls --help 类似，但是 man ls 给出的界面信息会更加适合浏览和阅读，在底部还会给出示例，编写者信息，更多信息的位置等等

  退出：h for help or q to quit

• cat 打印文件内容

  ekko@Ling:~/桌面$ cat hello.txt

• Ctrl-l 便捷的键盘快捷方式，用以清除终端，并回到顶部

以上，我们只讨论了单独运行程序的情况，但是当你组合各种不同的程序时，Shell 的大部分强大功能就会真正体现出来，而不只是简单的 cd 和 ls，你还可能希望与文件交互，并让文件在不同程序之间传输。这时，我们可以使用 Shell 提供的流的概念来实现。

流 stream

每个程序都有两个主要的流：

• 输入流 input stream
• 输出流 output stream

默认情况下，输入流来自于键盘，基本上是你的终端，你在终端中输入的任何内容都会进入程序；输出流则是每当程序打印输出时，输出的内容就会传递到这个流中。默认情况下，输出流也是指向你的终端的。

Shell 提供了一种重定向这些流的方法，以改变程序的输入/输出指向。

• 最简单的方法是使用尖括号符号 <>

  < 表示将这个程序的输入重定向为这个文件的内容

  > 表示将前面程序的输出重定向到这个文件中

  ekko@Ling:~/桌面$ echo hello > hello.txt

  没有重定向前，将会在回车后命令下方打印“hello”，而重定向后“hello”被打印到 hello.txt 文件中，可以通过 cat 命令验证

  cat 命令还有一种功能，支持将输入与输出连在一起

  ekko@Ling:~/桌面$ cat < hello.txt
  hello

  按下回车时，Shell 会打开 hello.txt 读取其中的内容传递给 cat ，此时没有重定向输出，所以直接输出在终端上。

  利用这个性质，也可以同样实现复制文件的操作

  ekko@Ling:~/桌面$ cat < hello.txt > hello2.txt

  此时的 cat 在默认情况下运行，它自己并不知道这个重定向操作，Shell 使用 hello.txt 作为 cat 的命令的输入，并将 cat 打印的任何内容写入 hello2.txt 中

• >> 双向箭头表示追加而不是覆盖

  ekko@Ling:~/桌面$ cat < hello.txt > hello2.txt
  ekko@Ling:~/桌面$ cat < hello.txt >> hello2.txt

  第一条语句不管执行几次，最后 hello2.txt 都和 hello.txt 文件完全一样，因为使用的是 > 每次输出是覆盖之前的记录

  第二条语句每执行一次，都会在 Hello2.txt 文件中追加输出

以上命令只是与文件交互的简单方法，但是涉及到 Shell 提供的另一个运算符，即管道运算符时，它们就变得更加有趣了。

管道运算符 |

管道运算符，就是一根竖杠 |

他的作用是将左边程序的输出，作为右边程序的输入

• tail 打印输入的最后 n 行 例如打印最后一行，使用 “-n1” 参数（或者 “--line = 1”）

  ekko@Ling:~/桌面$ ls -l / | tail -n1
  drwxr-xr-x	14 root root		4096 2月  23  2022 var

  注意，这里，ls 不知道 tail ，tail 也不知道 ls ，它们是不同的程序，从未被编程为彼此兼容，它们只知道，如何从输入读取并写入输出，然后管道运算符将他们连接在一起，在这种情况下，我希望 ls 的输出成为 ls 的输入，然后想要 tail 的输出仅流到我的终端，因为这里并没有重定向他

• 同样的，我也可以将所需要的输出，定向到一个文件中

  ekko@Ling:~/桌面$ ls -l / | tail -n1 > log.txt

管道不仅能处理文本，对于图像也能做到处理，甚至于视频，也可以用管道进行数据流的传输，比如，将视频文件通过管道输入到一个 Chromecast 发送程序中，然后将这个程序设置为最后一个，它会以 HTTP 流式传输视频文件到你的 Chromecast 上。

如何以更强大，更有趣的方式使用终端

首先我们要讨论，Linux 和 macOS 系统中的一个重要主题，即 root 用户的概念，root 用户有点像 Windows 上的管理员用户，它的用户 ID 是 0。

root 用户是特殊的，因为他可以在你的系统上随意的做任何事情，即使某个文件对任何人都不可读或不可写，root 仍然可以访问该文件。但是大多数时间，你不会作为超级用户来操作。你会用一些其他名字成为一个用户，这将是你常规情况下使用的用户。因为如果你一直以 root 用户身份操作计算机，如果运行了错误的程序，它们可能会彻底的破坏你的计算机。但偶尔你需要做一些要 root 权限才能做的事。通常情况下，你会使用一个叫做 “sudo” 的程序（或者 “do as su” ），这里的 su 指的是超级用户。这是以超级用户的身份执行操作的一种方式。

通常，你需要在终端中输入 “sudo” 加命令的方式，它将以 root 用户的身份运行该命令

在哪些情况下可能需要使用这样的东西呢？

在你的计算机上有很多特殊的文件，比如一个叫做 sysfs 的文件系统。可以通过

image-20230620204350428

如果你 cd 到这里，你会发现很多并不是你计算机上的文件，而是各种内核参数，内核就像是你的计算机的核心。你可以通过文件来访问各种内核参数。

如果继续进入 “class” 他有许多不同类型的设备可以与之交互，或者可以访问各种队列或各种内部奇怪的旋钮。

image-20230620204418479

由于他们暴露为文件，这意味着我们可以使用到目前为止学到的所有工具来操作他们。

在操作过程中，如果直接利用重定向修改文件，操作会被拒绝

ekko@Ling:/sys/class/backlight/intel_backlight$ echo 500 > brightness
bash: brightness: Permission denied

因为如果要修改内核，是需要根用户的权限的

可以想到的一个解决办法是利用 “sudo”

ekko@Ling:/sys/class/backlight/intel_backlight$ sudo echo 500 > brightness
bash: brightness: Permission denied

但是仍然会被拒绝，为什么呢？

就是之前强调的，输入和输出的重定向不是程序所知道的，当我们将 “ls” 传输到 “tail” 时，“tail” 并不知道 “ls” ，而 “ls” 也不知道 “tail” 这个通道是由 Shell 设置的。

所以在这种情况下，我告诉我的 Shell 运行程序 “sudo” 并使用参数 “echo” 和 “500” ，并将其输出发送到名为 “brightness” 的文件，但是是 Shell 而不是 “sudo” 程序打开了 “brightness” 文件。因此，作为我运行的 Shell ，尝试打开 brightness 文件进行写入，但是不允许这样做。因此，会收到权限被拒绝的错误。

从 Shell 的提示符也可以知道现在的权限

ekko@Ling:/sys/class/backlight/intel_backlight$ # echo 1 > /sys/net/ipv4_forward

• # 表示以 root 身份运行此命令
• $ 表示你不是以 root 身份运行

为了以 root 身份运行终端，我们可以切换到 root 终端

• sudo su 切换到 root 终端

  ekko@Ling:/$ sudo su
  [sudo] ekko 的密码:
  root@Ling:/# 

  表示以root身份运行以下命令

  su 是一个复杂的命令，可以让你以超级用户的身份获取一个 Shell

  输入密码后 enter

  可以发现用户名从 ekko 变成了 root，提示符从 $ 变为了 #

  如果现在执行 echo 500 > brightness

  就可以正常执行

除了以 root 身份运行 Shell，还有一种方法，即

• echo 1060 | sudo tee brightness

  ekko@Ling:/$ echo 1060 | sudo tee brightness

  要理解上面的语句，就要明白 tee 命令的作用

  tee 会将输入内容写入一个文件，同时也将它输出到标准输出。

  也就是 echo 1060 然后用管道符连接到 sudo 运行的 tee 中

现在你应该大致了解了如何在终端和 Shell 中操作了，并足够了解这些基本任务的原理。

现在，你不应该再需要使用鼠标点击来查找文件了。

还有一个剩余技巧——打开文件

• xdg-open 在适当的程序中打开文件（这可能只适用于 Linux ，MacOS 上可能被称为 “open” ）

  ekko@Ling:/$ xdg-open lectures.html

Exercises

• 确保打开的是正确的 Shell

  ekko@Ling:~/桌面$ echo $SHELL
  /bin/bash

  输入 echo $SHELL 得到 /bin/bash 或 /usr/bin/zsh 的回复

• touch 用于创建新文件

  ekko@Ling:/tmp/missing$ touch semester

• Bash quoting

  单引号 ' '：所有 meta 字符的功能均被关闭

  双引号 " "：大部分 meta 字符的功能被关闭，除了 $ 等少数字符

  反斜杠 \：仅跟着 \ 后面的 meta 字符被关闭

• 直接运行 ./semester 失败，通过 ls ./semester -l 查看发现

  ekko@Ling:/tmp/missing$ ls ./semester -l
  -rw-rw-r-- 1 ekko ekko 61 6月	22 20:53 ./semester

  文件拥有者只有读写权限，无执行权限

• 使用 sh semester 运行

  ekko@Ling:/tmp$ sh semester
  semester: 2: curl: not found

  出现该条信息说明没有安装 Curl，使用下面的命令安装

  ekko@Ling:/tmp$ sudo apt-get install curl

  安装后再次运行文件

  ekko@Ling:/tmp$ sh semester
  HTTP/2 200 
  server: GitHub.com
  content-type: text/html; charset=utf-8
  last-modified: Sat, 10 Jun 2023 13:13:30 GMT
  access-control-allow-origin: *
  etag: "648476fa-1f86"
  expires: Thu, 22 Jun 2023 08:35:27 GMT
  cache-control: max-age=600
  x-proxy-cache: MISS
  x-github-request-id: FBF2:6524:169121:17C6C8:64940577
  accept-ranges: bytes
  date: Thu, 22 Jun 2023 18:20:46 GMT
  via: 1.1 varnish
  age: 0
  x-served-by: cache-tyo11967-TYO
  x-cache: HIT
  x-cache-hits: 1
  x-timer: S1687458046.864056,VS0,VE170
  vary: Accept-Encoding
  x-fastly-request-id: 3d8dc766de1480ea09cca7f852c151aa205803ce
  content-length: 8070

  程序正常输出

  sh 命令可以不必事先设定 Shell 的执行权限，相当于将脚本作为参数传给 bash 来执行，被调用执行而不是文件自己来执行，所以不需要执行权限。

• chmod 修改文件，目录权限

  syntax ：chmod [操作对象][操作符][赋予权限][文件名]

  操作对象：u for user 文件目录所有者，g for group 文件目录所属用户组，o for other 其他用户，a for all 所有用户

  操作符：+ 添加权限， - 减少权限，= 给定权限

  权限：r 读，w 写，x 执行

  ekko@Ling:/tmp$ ll semester
  -rw-rw-r-- 1 ekko ekko 60 6月  23 02:20 semester
  ekko@Ling :/tmp$ chmod u+x semester
  ekko@Ling :/tmp$ ll semester
  -rwxrw-r-- 1 ekko ekko 60 6月  23 02:20 semester*

  当然可以快速赋予权限

  ekko@Ling :/tmp$ chmod u=rwx semester

  通过使用八进制来表示权限

  例子：r-x，r-4，w-2，x-1，所以这个权限就可以用 \(4+0+1 = 5\) 来表示

  对于 rwxr-xrw- 即为 \(756\)

  ekko@Ling :/tmp$ chmod a=rwx semester
  ekko@Ling :/tmp$ chmod 777 semester

  上述两条给予所有用户所有权限的语句效果是一样的

  但我们给予 semester 权限后，也能够直接执行了

  ekko@Ling :/tmp$ chmod u+x semester
  ekko@Ling :/tmp$ ll semester
  -rwxrw-r-- 1 ekko ekko 60 6月  23 02:20 semester*
  ekko@Ling :/tmp$ semester
  HTTP/2 200 
  server: GitHub.com
  content-type: text/html; charset=utf-8
  last-modified: Sat, 10 Jun 2023 13:13:30 GMT
  access-control-allow-origin: *
  etag: "648476fa-1f86"
  expires: Thu, 22 Jun 2023 08:35:27 GMT
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  x-github-request-id: FBF2:6524:169121:17C6C8:64940577
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  x-served-by: cache-tyo11967-TYO
  x-cache: HIT
  x-cache-hits: 1
  x-timer: S1687458046.864056,VS0,VE170
  vary: Accept-Encoding
  x-fastly-request-id: 3d8dc766de1480ea09cca7f852c151aa205803ce
  content-length: 8070

• 接下来题目要求我们将 “last-modified” 信息打印

  我想到的解决办法是，这行信息，是原文件的前 4 行，也是前 4 行的最后一行

  所以相当于用 head tail 相互传递一下，应该就能解决问题

  事实证明这样确实可行

  ekko@Ling :/tmp$ ./semester | head -n 4 | tail -n 1
  last-modified: Sat, 10 Jun 2023 13:13:30 GMT