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Bash脚本语言

梳理 Bash 脚本中的 Shell、Shebang、命令解析、执行方式、变量、参数展开、重定向、条件循环、函数和 Cron

发表于 更新于
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作者 Hatrix
27 分钟阅读
Bash脚本语言

背景知识

  • 命令： 即 Linux 程序。一个命令的本质就是一个 Linux 的可执行程序。命令一般没有图形化界面，但是可以在命令行中通过字符化的反馈与我们交互。

  • 命令行：即 Linux 终端（Terminal），是一种命令提示符页面。以纯字符的形式操作系统，可以使用各种字符画命令对系统发出操作指令。终端是人机交互的窗口，是一个图形化或文本界面程序。

  • 命令行工具 CLI：CLI 是 Command-Line Interface 的简称，泛指通过输入命令和计算机交互的模式。
  • 脚本：脚本是一个文本文件，里面写了一系列命令或代码。shell 脚本就是写给 shell 执行的脚本。文件后缀本身不决定脚本语法，.sh、.bash、.zsh 通常都属于 shell 脚本，但对应解释器可能不同，语法有重叠也有差异。真正决定直接执行时用哪个解释器的是脚本第一行的 shebang。

  • 进程关系：当前终端里的 shell 本身就是一个进程。你在里面执行 bash ./build.sh、cmake ...、python ... 这类命令时，这些命令通常会变成当前 shell 的子进程。环境变量的传递方向是父进程到子进程，也就是当前 shell 可以把已经导出的环境变量传给子进程，子进程可以继承父进程环境变量，但子进程不能反过来修改父进程的环境变量。

  • Shell：Shell 是一种特殊的解释器，主要用来解释和执行命令。这里的解释器指的是一个能够读取某种语言或命令，然后把它解释并执行的程序。shell 解释的是命令行语言，例如 cd /tmp、ls -l、echo hello，解析之后会调用相应的系统程序执行。Python、Node、Ruby 这类解释器更偏向执行对应编程语言的代码，而 shell 更偏向执行系统命令。CMD、PowerShell、Bash 都是 Shell 的一种。CMD（命令提示符）是 Windows 的传统命令行程序，运行 .bat 文件、支持基础命令；PowerShell 是更强大的 CLI 工具，支持对象管道、脚本系统，是 CMD 的“升级版”；Bash 是 GNU Shell，Linux/WSL/Mac 默认终端；zsh 是 Z Shell，是 bash 的超集，有高亮、补全等功能。

  • Bash：Bash 是 shell 的一种，全名是 Bourne Again Shell。它既可以让用户在终端里输入命令，也可以执行 shell 脚本，执行脚本时会把脚本里的命令一行一行解释并执行。除了 Bash，常见 shell 还有 sh、zsh、fish、dash、ksh 和 csh。它们之间的关系可以理解为：解释器是泛称，shell 是解释器的一类，bash 是 shell 这一类中的一个具体程序。所以 bash 是 shell，也是一种解释器，但“解释器”“shell”“bash”不是同一层概念。如果按常见用途粗略分类，解释器或运行时可以包括 shell 解释器，比如 sh、bash、zsh、fish、dash、ksh、csh；编程语言解释器，比如 python、ruby、perl、php、lua；JavaScript 运行时，比如 node、deno、bun；数据库交互解释器，比如 psql、mysql、sqlite3；文本处理解释器，比如 awk、sed；以及其他专用解释器或工具，比如 Rscript、matlab、make。这种分类不是严格的数学分类，只是按常见用途帮助理解。

  • Shebang：Shebang 是脚本文件第一行的特殊声明，作用是告诉系统：当用户直接执行这个文件时，应该使用哪个解释器来运行它。#! 就是 shebang，其中 # 有时被称为 hash，! 有时被称为 bang。比如 #!/bin/bash 表示使用 /bin/bash 这个 bash 解释器执行脚本；#!/usr/bin/env bash 表示先运行 /usr/bin/env，由它在当前 PATH 中查找 bash，再用找到的 bash 执行脚本。这样写主要是为了可移植性，因为不同系统里 bash 的位置可能不同。/usr/bin/env 本身是一个程序，常见用途有两个：一是打印当前进程里的环境变量，二是在当前环境下运行命令，例如 env bash。Shebang 只在直接执行脚本时生效，例如 ./set_sdk.sh。如果写的是 source ./set_sdk.sh 或 . ./set_sdk.sh，脚本不是由 shebang 负责启动解释器，而是由当前 shell 直接读取并执行。which bash 查的是当前环境变量 PATH 里的目录，它会按顺序寻找名为 bash 的可执行文件，找到第一个就输出。
  • tmux：tmux 是一个终端复用工具（terminal multiplexer），可以在一个终端窗口里创建和管理多个会话、窗口和面板；它最大的作用是让程序在后台持续运行，即使 SSH 断开或关闭终端，也可以之后重新连接回来继续操作。因此，tmux 很适合远程服务器开发、长时间运行脚本、同时查看日志和编辑代码等场景。常见操作包括新建会话、分屏、切换窗口、detach 退出当前会话但保持任务运行，以及 attach 重新进入会话。

命令解析

Bash 命令通常遵循 command [选项] 参数 这样的形式。其中 command 是命令本身，选项用于改变命令行为，参数是命令作用的对象。常见命令包括 date、pwd、ls 和 echo。你在 shell 里输入一行，例如 cmake --version，shell 会先解析这行文本，把第一个词 cmake 当作命令名，把后面的 --version 当作参数，然后再按规则判断 cmake 到底是什么。

命令名可能来自几类地方。cd、source、export、unset 这类是 shell 内建命令，由 bash 自己实现；if、then、case、for、while 这类是 shell 语法关键字；ls、cmake、python、gcc 这类通常是外部可执行程序，shell 会到 PATH 里查找；my_func 可能是你自己定义的 shell 函数；ll 也可能是别名，例如 alias ll='ls -l'。如果在 shell 顶层直接输入 hello world，shell 会把 hello 当作命令名，把 world 当作参数，而不会把它当成普通字符串；如果找不到叫 hello 的命令，就会报 hello: command not found。要输出字符串，需要使用 echo 这类命令。

执行方式

Shell 脚本有两种常见执行方式。一种是新进程执行脚本，例如 bash ./set_sdk.sh 或直接运行 ./set_sdk.sh，这种方式会启动一个新的 shell 进程来执行脚本，脚本里的操作只影响这个新进程和它的子进程，脚本跑完后新进程退出，当前终端不会被改变。另一种是在当前 shell 执行脚本，例如 source ./set_sdk.sh，或者等价写法 . ./set_sdk.sh，这种方式不会启动新的 shell，而是让当前终端 shell 直接读取并执行脚本里的命令，所以脚本对变量、环境变量、当前目录等的修改会留在当前终端中。

外部程序是否可执行，主要看两点：文件存在，并且有可执行权限。如果权限里有 x，说明可以执行。二进制程序可以直接执行；脚本文件通常还需要 shebang，告诉系统直接执行这个脚本文件时应该用什么解释器。

变量

变量可以用来存储数据，并且可以在脚本中读取、访问和操作这些数据。Bash 中没有严格的数据类型，变量既可以存储数值，也可以存储单个字符或字符串。变量赋值时，等号两边不能有空格，否则 Bash 会把等号前面的内容当成命令，把后面的内容当成参数。

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the_path="/tmp/test"
echo "$the_path"

引用变量时使用 $变量名 的形式，例如 $the_path。实际写脚本时通常建议给变量加双引号，也就是写成 "$the_path"，这样即使变量内容包含空格，也不容易出错。加双引号还能防止空格、换行、通配符引起的拆分和展开。read the_path 可以读取用户输入，并把输入内容保存到 the_path 变量中，后面就可以通过 "$the_path" 使用这个变量。

参数展开

脚本和函数接收参数时，$0 表示当前脚本文件名，$1 表示第一个参数，$2 表示第二个参数，以此类推，$1 到 $9 表示前 9 个参数。函数内部也可以用 $1、$2 等访问调用函数时传入的参数。

在 Bash 里，${...} 是变量或参数展开，$(...) 是命令替换，也就是执行括号里的命令，把输出结果填到当前位置。例如 $(pwd) 会执行 pwd 并取它的输出。${var:-fallback} 是 Bash 的参数展开语法，不是项目自定义语法；它的意思是：如果 var 已定义且非空，就取 var 的值，如果 var 未定义或为空，就取 fallback。${!var_name} 是 Bash 的间接变量展开，意思是把 var_name 的值当成另一个变量名，再取那个变量的值；${!var_name:-} 则是在间接取值时，如果目标变量没设置或为空，就使用空字符串。

-- 是很多命令约定使用的选项结束标记，意思是从这里开始，后面的内容都当作普通参数，不要再当作选项解析。&& 表示前一个命令成功了，才执行后一个命令；|| 表示前一个命令失败了，才执行后一个命令。

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command1 && command2
command1 || command2

输入输出、管道和重定向

Bash 收集输入的方式主要有两种：一种是读取用户输入并存储在变量中，常用命令是 read；另一种是从文件中读取。例如下面的写法是把 input.txt 作为整个 while 循环的输入来源，循环每次读取一行并打印出来：

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while read line
do
  echo "$line"
done < input.txt

输出也有两种常见方式：一种是直接打印到终端，另一种是写入文件。echo 默认会在输出后换行，如果加上 -n 参数，就可以不换行。重定向操作符可以把命令输出写到文件里，其中 > 会覆盖文件内容，如果文件已经存在，原内容会被替换；>> 会把内容追加到文件末尾，不覆盖已有内容。< 可以让命令从文件读取输入，<< 可以写 here-document。通过这些方式，可以把任意命令的输入输出接到文件或脚本片段上。

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echo "hello" > output.txt
echo "world" >> output.txt

Linux 里常见三个标准通道：0 是 stdin 标准输入，1 是 stdout 标准输出，2 是 stderr 标准错误。单独的 2 表示标准错误这个文件描述符编号，&2 表示引用 2 号文件描述符。echo "error" >&2 的意思是把 echo 默认写向标准输出的内容，重定向到当前标准错误指向的位置。> 和 >& 都是重定向，但右边含义不同：> 的右边通常是文件，>& 的右边是文件描述符。

| 是管道符，作用是把左边命令的标准输出交给右边命令作为输入。使用管道时，左边命令的标准输出通常不会直接显示在屏幕上，而是传给右边命令继续处理。

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ps aux | grep nginx
grep "error" log.txt | wc -l
cat names.txt | sort | uniq

其中 ps aux | grep nginx 用于从所有进程中搜索 nginx，grep "error" log.txt | wc -l 用于统计包含某个词的行数，cat names.txt | sort | uniq 用于排序并去重。cat log.txt | grep error 也能工作，但这个例子不是特别好，因为 grep 本身可以直接读取文件，所以更直接的写法是 grep error log.txt。默认情况下，错误输出 stderr 不会进入管道；如果想把错误输出也传给管道右边，可以使用 2>&1 或 |&。

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ls not_exist 2>&1 | grep "No such"
ls not_exist |& grep "No such"

条件判断、循环、case 和函数

Bash 中可以使用 if、elif、else、fi 写条件语句。if 后面本来就可以直接跟命令，命令成功就进入对应分支；[[ ... ]] 通常用于 Bash 自己的条件判断。不能写成 if [[ command -v cmake ]]; then 来判断命令是否存在，因为 [[ ... ]] 里面不会执行 command -v cmake，它会把这些内容当成字符串或表达式处理。正确思路是让 if 直接执行命令，例如 if command -v cmake >/dev/null; then ... fi。

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if [[ $score -ge 90 ]]; then
  echo "优秀"
elif [[ $score -ge 60 ]]; then
  echo "及格"
else
  echo "不及格"
fi

使用条件判断时要注意，中括号两边需要有空格。数字比较常用 -eq、-ne、-gt、-lt、-ge、-le，分别表示等于、不等于、大于、小于、大于等于、小于等于。字符串判断中，== 表示字符串相等，!= 表示字符串不相等，-z 表示字符串为空，-n 表示字符串非空。文件判断中，-f 用来判断是否是普通文件，-d 用来判断是否是存在的目录，-e 用来判断是否存在，文件或目录都算，-x 用来判断是否可执行。

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[[ $a -eq $b ]]       # 数字等于
[[ $name == "Tom" ]]  # 字符串等于
[[ -z $name ]]        # 字符串为空
[[ -f a.txt ]]        # 判断 a.txt 是否是普通文件
[[ -d test ]]         # 判断 test 是否是目录
[[ -e a.txt ]]        # 判断 a.txt 是否存在
[[ -x script.sh ]]    # 判断 script.sh 是否可执行

[ ... ] 是更传统的写法，兼容 sh；[[ ... ]] 是 Bash 的增强版，更安全，也更好用。一个重要区别是：使用 [ ... ] 时，变量通常必须加双引号，否则变量为空或包含空格时可能出错；而 [[ ... ]] 对变量是否加引号更宽容。逻辑运算也可以用于条件判断，例如 AND 和 OR，在传统写法中常见形式是 -a 和 -o。

Bash 中常见循环有 while 和 for。while 循环适合在条件成立时反复执行某段代码。这里的 ((...)) 是 Bash 里的算术运算语法，专门用于整数运算；在 ((...)) 里面，变量可以不写 $，括号两边也可以不写空格。

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i=1
while [[ $i -le 10 ]]; do
  echo "$i"
  (( i++ ))
done

while 语句也可以和重定向一起使用，例如 while read line ... done < input.txt，就是让整个循环从文件中读取输入。for 循环不能像 while 那样直接接 [[ ... ]] 条件。Bash 中的 for 主要有两大类写法：一种是 for 变量 in 列表; do ... done，另一种是 C 风格的 for (( 初始化; 条件; 更新 )); do ... done。

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for i in 1 2 3; do echo "$i"; done
for i in {1..6}; do echo "$i"; done
for i in {1..10..2}; do echo "$i"; done
for f in *.txt; do echo "$f"; done
for x in $list; do echo "$x"; done
for x in "${arr[@]}"; do echo "$x"; done
for x in $(命令); do echo "$x"; done
for arg; do echo "$arg"; done
for ((i=1; i<=10; i++)); do echo "$i"; done

其中 for i in 1 2 3 是普通列表循环，{1..6} 是大括号范围，{1..10..2} 是带步长的范围，*.txt 是通配符文件列表，"${arr[@]}" 用来遍历数组，$(命令) 用来遍历命令输出但不总是推荐，for arg; do ... done 用来遍历脚本参数。最常见的其实主要是三种：in 加数字列表、文件通配符列表、C 风格数字循环。

case 语句适合根据某个变量的不同取值执行不同代码。在 case 语句中，双分号 ;; 用来分隔每个模式对应的代码块，星号 * 代表默认情况，也就是没有任何指定模式匹配表达式时执行的分支，case 语句最后用 esac 结束。

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fruit="apple"

case $fruit in
  "apple")
    echo "This is a red fruit."
    ;;
  "banana")
    echo "This is a yellow fruit."
    ;;
  "orange")
    echo "This is an orange fruit."
    ;;
  *)
    echo "Unknown fruit."
    ;;
esac

Bash 中可以定义函数，把一组命令封装起来，方便重复调用。函数内部如果不用 local 声明变量，变量默认是全局的；使用 local 可以让变量只在函数内部生效。函数也可以接收参数，函数内部同样可以用 $1、$2 等访问传入参数。

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function who() {
  echo -n "I'm "
  whoami
}

sayHello() {
  echo "你好，$1"
}

sayHello Tom
sayHello Jerry

Cron、调试和脚本书写细节

Cron 是 Linux / Unix 里的定时任务系统，它的作用是让系统在指定时间自动执行某些命令或脚本。crontab 工具用于添加和编辑 cron 作业。cron 的调度语法通常由五个时间字段加一个要执行的命令组成，五个字段分别代表分钟、小时、日、月、周几。

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* * * * * sh /path/to/script.sh
0 0 * * * /path/to/script.sh
*/5 * * * * /path/to/script.sh
0 6 * * 1-5 /path/to/script.sh
0 0 1-7 * * /path/to/script.sh
0 12 1 * * /path/to/script.sh

上面的例子里，0 0 * * * 表示每天午夜运行脚本，*/5 * * * * 表示每 5 分钟运行脚本，0 6 * * 1-5 表示星期一到星期五每天早上 6 点运行脚本，0 0 1-7 * * 表示每个月的前 7 天运行脚本，0 12 1 * * 表示每个月第一天中午 12 点运行脚本。

调试 Bash 脚本时，一个很有用的技巧是在脚本开头设置 set -x。这个选项会启用调试模式，让 Bash 在终端中打印它即将执行的每个命令，并以 + 符号作为前缀，这有助于识别脚本中错误发生的位置。Bash 执行命令后会设置一个退出码，用来表示命令执行结果，可以使用 $? 查看最近一条命令的退出码；退出码为 0 表示成功，其他值通常表示出错。另一个常用调试方法是在代码中插入 echo 语句，用来观察程序执行到了哪里，以及变量当前传递的值是什么。如果希望脚本中的任意命令失败时立即退出，可以使用 set -e。

Bash 和 C 语言不同，不要求每句话都以分号结尾。但如果两个或多个语句写在同一行，就需要用分号分隔，否则解释器可能会把它们视为一条语句。反斜杠 \ 可以用于行尾续行：如果一行太长，可以在不引起歧义的情况下，在行尾加上反斜杠，这样上下两行会被 Bash 当作同一条语句处理。

参考资料

Bash 脚本教程——Linux Shell 脚本和命令行入门教程

本文由作者按照 CC BY 4.0 进行授权
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