十年运维系列之基础篇 - Linux
作者：曾林
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一、引言
计算机程序其实就是处理数据。前面的章节主要从文件层面讲解了数据的处理。然而，很多编程问题需要用到更小的数据单元，例如字符串和数字来解决。
本章将学习几个用于操作字符串和数字的shell脚本特性。shell还提供了多种字符串操作的参数扩展。
二、参数扩展
虽然以前的章节中谈论过参数扩展，但是因为绝大部分的参数扩展使用在脚本文件而不是在命令行，所以我们未加详细解释，在这之前已经使用了某些形式的参数扩展，例如shell变量。shell提供了多种参数的扩展形式。
1. 基本参数
参数扩展的最简单形式体现在平常对变量的使用中。举例来说，$a扩展后成为变量a所包含的内容，无论a包含什么。简单参数也可以被花括号包围，例如${a}。这对扩展本身毫无影响。但是，当变量相邻于其他文本时，则必须使用括号，否则可能让shell混淆。看下面的例子，我们试图以附加字符串_file到变量a内容后的方式新建一个文件名。
同样可见，大于9的位置参数可以通过给相应数字加上括号来访问。例如访问到第11个位置参数，可以这样做——${11}。
2. 空变量扩展的管理
有的参数扩展用于处理不存在的变量和空变量。这些参数扩展在处理缺失的位置参数和给参数赋默认值时很有用处。这种参数扩展形式如下。
${parameter:-word}
如果parameter未被设定（比如不存在）或者是空参数，则其扩展为word的值；如果parameter非空，则扩展为parameter的值。执行如下图所示：
以下是另外一种扩展形式，在里面使用等号，而非连字符号。
${parameter:=word}
如果parameter未被设定或者为空，则其扩展为word的值；此外，word的值也将赋给parameter。如果parameter非空，则扩展为parameter的值。
需要注意一点的是，使用“=”而不是连字符“-”的话，这样的方式不能应用于位置参数和其他特殊参数。如下图所示：
我们还可以使用问号，如下表示：
${parameter:?word}
如果parameter未设置或者为空的话，这样扩展会致使脚本出错而退出，并且word内容输出到标准错误。如果parameter非空，则扩展结果为parameter的值。具体如下图：
如果我们使用一个加号，如下所示：
${parameter:+word}
若parameter未设定或者为空，将不产生任何的扩展。若parameter非空，word的值将取代parameter的值；然而，parameter的值并不发生变化。
3. 返回变量名的扩展
shell具有返回变量名的功能。这种功能在相当特殊的情况下才会被用到。返回变量名的语法如下：
${!prefix*} 或 ${!prefix@}
该扩展返回当前以prefix开头的变量名。根据bash文档，这两种扩展形式执行效果一模一样。下面的例子中，我们列出了环境变量中所有以BASH开头的变量。
4. 字符串操作
对字符串的操作，存在着大量的扩展集合。例如下面的扩展式：
${#parameter}
扩展为parameter内包含的字符串的长度。一般来说，参数parameter是个字符串。然而，如果参数parameter是“@”或者“*”，那么扩展结果就是位置参数的个数。样例如下：
${parameter:offset}
${parameter:offset:length}
这个扩展用来提取一部分包含在参数parameter中的字符串。扩展以offset字符开始，直到字符串的末尾，除非length特别指定。样例如下：
如果offset的值为负，默认表示它从字符串末尾开始，而不是字符串开头。注意，负值前必须要有一个空格，以防和“${parameter:-word}”扩展混淆。如果有length（长度）的话，length不能小于0。样例如下：
${parameter:#pattern}
${parameter:##pattern}
根据pattern定义，这些扩展去除了包含在parameter中的字符串的主要部分。pattern是一个通配符模式，类似那些用于路径名的扩展。两种形式的区别在于"#"用于去除最短匹配，而"##"形式去除最长匹配。样例如下：
${parameter%pattern}
${parameter%%pattern}
这些扩展与上述的“#”和“##”扩展相同，除了一点——它们从参数包含的字符串末尾去除文本，而非字符串开头。样例如下：
${parameter/pattern/string}
${parameter//pattern/string}
${parameter/#pattern/string}
${parameter/%pattern/string}
这个扩展在parameter的内容上执行搜索和替换非常有效。如果文本被发现和通配符pattern一致，就被替换为string的内容。通常形式如下，只有第一个出现的pattern被替换。在"//"形式下，所有的pattern都被替换。“/#”形式要求匹配出现在字符串的开头，"/%"形式则要求匹配出现在字符串的末尾。"/string"可以省略，不过和pattern匹配的文本都会被删除。样例如下：
三、算术计算和扩展
前面我们学习了算术扩展，用来对整数进行算术计算。它的基本形式如下所示：
$((expression))
其中expression是一个有效的算术表达式。
这和用于算术运算的复合命令“(())”有关。
1. 数字进制
我们已经知道了八进制和十六进制的数字。在算术表达式中，shell支持任何进制表示的整数。下表列出了基本数字进制的描述。
| 符号 | 描述 |
| Number | 默认情况下，number没有任何符号，将作为10进制数字 |
| 0number | 在数字表达式中，以0开始的数字被认为是八进制数字 |
| 0xnumber | 十六进制符号 |
| base#number | base进制的number |
结合上面的介绍，展示如下的例子：
2. 一元运算符
有两种一元运算符：+和-。它们分别被用来指示一个数字是正或是负。
3. 简单算术
下表展示了普通算术运算符。
| 操作符 | 描述 |
| + | 加法 |
| - | 减法 |
| * | 乘法 |
| / | 除法 |
| ** | 求幂 |
| % | 取模（余数） |
这里大多数操作符具有自描述性，但是整数除法和取模需要更深入的讨论。
由于shell的算术运算符仅适用于整数，除法的结果永远是完整的数字。如下所示：
4. 赋值
有关算术运算符的赋值操作，可以这样来使用。
上例中，先给变量赋空值，并确认它确实为空。接着，执行一个以复杂命令((foo=5))为条件的if语句。整个过程有两件有趣的事情。（1）它给变量foo赋值为5。（2）因为赋值语句是成功的，所以条件为true。
注：记住上式中“=”的确切含义很重要。单个的“=”执行赋值，即foo=5意味着“让foo等于5”。两个“==”用来判断是否相等，即“foo==5”意味着“foo是否等于5？”这可能十分令人费解，因为test命令认为单个的“=”判断字符串是否相当。但这也正是另一个使用新式的“[[]]”和“(())”混合命令代替test的理由。
此外，除了“=”之外，shell还提供了一些相当有用的赋值语句，如下表所示：
| 运算符 | 描述 |
| parameter = value | 简单赋值运算。赋予parameter值为value |
| parameter += value | 加法运算。等价于parameter = parameter + value |
| parameter -= value | 减法运算。等价于parameter = parameter = value |
| parameter *= value | 乘法运算。等价于parameter = parameter * value |
| parameter /= value | 除法运算。等价于parameter = parameter / value |
| parameter %= value | 取模运算。等价于parameter = parameter % value |
| parameter++ | 变量后增量运算。等价于parameter=parameter+1 |
| parameter-- | 变量后减量运算。等价于parameter=parameter-1 |
| ++parameter | 变量前增量运算。等价于parameter=parameter+1 |
| --parameter | 变量前减量运算。等价于parameter=parameter-1 |
这些赋值操作为很多常见算术任务提供了一种快捷方式。增量（++）和减量（--）运算特别有意义，它们以1为间隔增加或减少参数的值。这种风格的表示法是从C编程语言衍生而来，并且已经被其他几种编程语言所采用，其中就包括bash。
对于大部分shell应用，前置运算操作符则是最常用的。
5. 位操作
有一种操作符以一种非同寻常的方式巧妙地进行数字运算，这些操作符在位层面执行运算。它们被用于特定的低层任务中，常用来位标志的设置和读取。下表列出了位操作符。
| 操作符 | 描述 |
| ~ | 按位取反。将数字里的每一位取反 |
| << | 逐位左移。将数字里面的每一位向左移动 |
| >> | 逐位右移。将数字里面的每一位向右移动 |
| & | 按位与。对数字里的每一位执行与操作 |
| | | 按位或。对数字里的每一位执行或操作 |
| ^ | 按位异或。对两个数字的每一位执行异或操作 |
注意，除了按位取反之外，也存在相应的赋值操作（例如“<<=”）。
这里将示范使用逐位左移操作，产生2的次方的一串数字。具体如下图所示：
6. 逻辑操作
复合命令“(())”支持多种比较操作。有另外几种可以被用于判断逻辑是否成立的操作。具体如下表所示：
| 操作符 | 描述 |
| <= | 小于或等于 |
| >= | 大于或等于 |
| < | 小于 |
| > | 大于 |
| == | 等于 |
| != | 不等于 |
| && | 逻辑与 |
| || | 逻辑或 |
| expr1?expr2:expr3 | 比较（三元组）操作。如果表达式expr1非零（算术为true），那么执行expr2，否则执行expr3 |
当使用逻辑操作的时候，表达式遵循算术逻辑的规则。这就是说，值为零的表达式为false，而非零表达式为true。如下所示："(())"复合命令将结果映射到shell的正常退出代码。如下图所示：
最奇怪的逻辑操作是三元操作。这个操作执行一个独立的逻辑测试。它可以被用作某种意义上的if/then/else语句。它作用于三个算术表达式上（不可以是字符串），并且如果第一个表达式为真（或非0），就执行第二个表达式，否则执行第三个表达式。我们可以在命令行中尝试一下。如下图所示：
请注意在表达式内的赋值操作并不能简单使用。当试图这样做时，bash将输出一个错误。如下图：
这个问题可以通过使用括号包围赋值表达式来解决。如下图所示：
四、bc：一种任意精度计算语言
我们已经了解了shell可以处理所有种类的整数运算，但是如果需要执行更高级的数学运算，或者甚至使用浮点数怎么办呢？答案是无法实现，至少无法用shell直接实现。为了达到这个目的，我们需要使用一个外部程序。这个外部程序就是bc。它是一个专门的计算器程序，大多数Linux系统都支持这个程序。
bc程序读取一个使用类c语言编写的程序文件，并执行它。bc脚本可以是一个单独的文件，也可以从标准输入中读取。bc语言支持很多功能，包括变量、循环以及由程序员自己定义的函数。下面可以从一个非常浅显的例子开始。如下图所示：
脚本的第一行是一个注释。bc使用和C编程语言同样的注释语法。注释可以跨域多行，以/*开始，以*/结束。
1. bc的使用
如果将上述bc脚本保存为foo.bc，那么就可以像上图中展示的那样来运行它。如下代码所示：
bc foo.bc
如果仔细看看，可以在最底部版权信息的后面看到运行结果。这些信息可以通过-q(quiet)选项禁止显示。
bc也可以交互地使用，如下所示：
当交互式使用bc时，只需简单地输入运算值，计算结果就会立刻被显示出来。使用bc命令中的quit结束交互会话。
通过标准输入传递一个脚本到bc亦是可行的，如下所示：
既然支持标准输入，那么意味着可以使用嵌入文档、嵌入字符串和管道传递脚本。下面是一个嵌入字符串的例子。
bc <<< "8*8"