SHELL编程之常用技巧

小鱼儿 2022-09-21 13:12 166阅读 0赞

# 前言 #

本文是shell编程系列的第六篇，集中介绍了bash编程中部分高级编程方法和技巧。通过学习本文内容，可以帮你解决以下问题：

1.  bash可以网络编程么？
2.  .()\{ .|.& \};. 据说执行这些符号可以死机，那么它们是啥意思？
3.  你是什么保证crond中的任务不重复执行的？grep一下然后wc算一下个数么？
4.  受限模式执行bash可以保护什么？
5.  啥时候会出现subshell？
6.  coproc协进程怎么用？

# /dev和/proc目录 #

dev目录是系统中集中用来存放设备文件的目录。除了设备文件以外，系统中也有不少特殊的功能通过设备的形式表现出来。设备文件是一种特殊的文件，它们实际上是驱动程序的接口。在Linux操作系统中，很多设备都是通过设备文件的方式为进程提供了输入、输出的调用标准，这也符合UNIX的“一切皆文件”的设计原则。所以，对于设备文件来说，文件名和路径其实都不重要，最重要的使其主设备号和辅助设备号，就是用ls -l命令显示出来的原本应该出现在文件大小位置上的两个数字，比如下面命令显示的8和0：

[zorro@zorrozou-pc0 bash]$ ls -l /dev/sda
    brw-rw---- 1 root disk 8, 0 5月 12 10:47 /dev/sda

设备文件的主设备号对应了这种设备所使用的驱动是哪个，而辅助设备号则表示使用同一种驱动的设备编号。我们可以使用mknod命令手动创建一个设备文件：

[zorro@zorrozou-pc0 bash]$ sudo mknod harddisk b 8 0 
    [zorro@zorrozou-pc0 bash]$ ls -l harddisk 
    brw-r--r-- 1 root root 8, 0 5月 18 09:49 harddisk

这样我们就创建了一个设备文件叫harddisk，实际上它跟/dev/sda是同一个设备，因为它们对应的设备驱动和编号都一样。所以这个设备实际上是跟sda相同功能的设备。

系统还给我们提供了几个有特殊功能的设备文件，在bash编程的时候可能会经常用到：

/dev/null：黑洞文件。可以对它重定向如何输出。

/dev/zero：0发生器。可以产生二进制的0，产生多少根使用时间长度有关。我们经常用这个文件来产生大文件进行某些测试，如：

[zorro@zorrozou-pc0 bash]$ dd if=/dev/zero of=./bigfile bs=1M count=1024
    1024+0 records in
    1024+0 records out
    1073741824 bytes (1.1 GB, 1.0 GiB) copied, 0.3501 s, 3.1 GB/s

dd命令也是我们在bash编程中可能会经常使用到的命令。

/dev/random：Linux下的random文件是一个根据计算机背景噪声而产生随机数的真随机数发生器。所以，如果容纳噪声数据的熵池空了，那么对文件的读取会出现阻塞。

/dev/urandom：是一个伪随机数发生器。实际上在Linux的视线中，urandom产生随机数的方法根random一样，只是它可以重复使用熵池中的数据。这两个文件在不同的类unix系统中可能实现方法不同，请注意它们的区别。

/dev/tcp & /dev/udp：这两个神奇的目录为bash编程提供了一种可以进行网络编程的功能。在bash程序中使用/dev/tcp/ip/port的方式就可以创建一个scoket作为客户端去连接服务端的ip:port。我们用一个检查http协议的80端口是否打开的例子来说明它的使用方法：

[zorro@zorrozou-pc0 bash]$ cat tcp.sh
    #!/bin/bash
    
    ipaddr=127.0.0.1
    port=80
    
    if ! exec 5<> /dev/tcp/$ipaddr/$port
    then
    exit 1
    fi
    
    echo -e "GET / HTTP/1.0\n" >&5
    
    cat <&5

ipaddr的部分还可以写一个主机名。大家可以用此脚本分别在本机打开web服务和不打开的情况下分别执行观察是什么效果。

/proc是另一个我们经常使用的目录。这个目录完全是内核虚拟的。内核将一些系统信息都放在/proc目录下一文件和文本的方式显示出来，如：/proc/cpuinfo、/proc/meminfo。我们可以使用man 5 proc来查询这个目录下文件的作用。

# 函数和递归 #

我们已经接触过函数的概念了，在bash编程中，函数无非是将一串命令起了个名字，后续想要调用这一串命令就可以直接写函数的名字了。在语法上定义一个函数的方法是：

name () compound-command [redirection]
    function name [()] compound-command [redirection]

我们可以加function关键字显式的定义一个函数，也可以不加。函数在定义的时候可以直接在后面加上重定向的处理。这里还需要特殊说明的是函数的参数处理和局部变量，请看下面脚本：

[zorro@zorrozou-pc0 bash]$ cat function.sh |awk '{print "\t"$0}'
    #!/bin/bash
    
    aaa=1000
    
    arg_proc () {
    echo "Function begin:"
    local aaa=2000
    echo $1
    echo $2
    echo $3
    echo $*
    echo $@
    echo $aaa
    echo "Function end!"
    }
    
    echo "Script bugin:"
    echo $1
    echo $2
    echo $3
    echo $*
    echo $@
    echo $aaa
    
    arg_proc aaa bbb ccc ddd eee fff
    
    echo $1
    echo $2
    echo $3
    echo $*
    echo $@
    echo $aaa
    echo "Script end!"

我们带-x参数执行一下：

+ aaa=1000
    + echo 'Script bugin:'
    Script bugin:
    + echo 111
    111
    + echo 222
    222
    + echo 333
    333
    + echo 111 222 333 444 555
    111 222 333 444 555
    + echo 111 222 333 444 555
    111 222 333 444 555
    + echo 1000
    1000
    + arg_proc aaa bbb ccc ddd eee fff
    + echo 'Function begin:'
    Function begin:
    + local aaa=2000
    + echo aaa
    aaa
    + echo bbb
    bbb
    + echo ccc
    ccc
    + echo aaa bbb ccc ddd eee fff
    aaa bbb ccc ddd eee fff
    + echo aaa bbb ccc ddd eee fff
    aaa bbb ccc ddd eee fff
    + echo 2000
    2000
    + echo 'Function end!'
    Function end!
    + echo 111
    111
    + echo 222
    222
    + echo 333
    333
    + echo 111 222 333 444 555
    111 222 333 444 555
    + echo 111 222 333 444 555
    111 222 333 444 555
    + echo 1000
    1000
    + echo 'Script end!'
    Script end!

观察整个执行过程可以发现，函数的参数适用方法跟脚本一样，都可以使用n、\*、$@这些符号来处理。而且函数参数跟函数内部使用local定义的局部变量效果一样，都是只在函数内部能看到。函数外部看不到函数里定义的局部变量，当函数内部的局部变量和外部的全局变量名字相同时，函数内只能取到局部变量的值。当函数内部没有定义跟外部同名的局部变量的时候，函数内部也可以看到全局变量。

bash编程支持递归调用函数，跟其他编程语言不同的地方是，bash还可以递归的调用自身，这在某些编程场景下非常有用。我们先来看一个递归的简单例子：

[zorro@zorrozou-pc0 bash]$ cat recurse.sh
    #!/bin/bash
    
    read_dir () {
    for i in $1/*
    do
    if [ -d $i ]
    then
    read_dir $i
    else
    echo $i
    fi
    done
    
    }
    
    read_dir $1

这个脚本可以遍历一个目录下所有子目录中的非目录文件。关于递归，还有一个经典的例子，fork炸弹：

.(){ .|.& };.

这一堆符号看上去很令人费解，我们来解释一下每个符号的含义：根据函数的定义语法，我们知道.()\{\}的意思是，定义一个函数名子叫“.”。虽然系统中又个内建命令也叫.，就是source命令，但是我们也知道，当函数和内建命令名字冲突的时候，bash首先会将名字当成是函数来解释。在\{\}包含的函数体中，使用了一个管道连接了两个点，这里的第一个.就是函数的递归调用，我们也知道了使用管道的时候会打开一个subshell的子进程，所以在这里面就递归的打开了子进程。\{\}后面的分号只表示函数定义完毕的结束符，在之后就是调用函数名执行的.，之后函数开始递归的打开自己，去产生子进程，直到系统崩溃为止。

# bash并发编程和flock #

在shell编程中，需要使用并发编程的场景并不多。我们倒是经常会想要某个脚本不要同时出现多次同时执行，比如放在crond中的某个周期任务，如果执行时间较长以至于下次再调度的时间间隔，那么上一个还没执行完就可能又打开一个，这时我们会希望本次不用执行。本质上讲，无论是只保证任何时候系统中只出现一个进程还是多个进程并发，我们需要对进程进行类似的控制。因为并发的时候也会有可能产生竞争条件，导致程序出问题。

我们先来看如何写一个并发的bash程序。在前文讲到作业控制和wait命令使用的时候，我们就已经写了一个简单的并发程序了，我们这次让它变得复杂一点。我们写一个bash脚本，创建一个计数文件，并将里面的值写为0。然后打开100个子进程，每个进程都去读取这个计数文件的当前值，并加1写回去。如果程序执行正确，最后里面的值应该是100，因为每个子进程都会累加一个1写入文件，我们来试试：

[zorro@zorrozou-pc0 bash]$ cat racing.sh
    #!/bin/bash
    
    countfile=/tmp/count
    
    if ! [ -f $countfile ]
    then
    echo 0 > $countfile
    fi
    
    do_count () {
    read count < $countfile
    echo $((++count)) > $countfile
    }
    
    for i in `seq 1 100`
    do
    do_count &
    done
    
    wait
    
    cat $countfile
    
    rm $countfile

我们再来看看这个程序的执行结果：

[zorro@zorrozou-pc0 bash]$ ./racing.sh 
    26
    [zorro@zorrozou-pc0 bash]$ ./racing.sh 
    13
    [zorro@zorrozou-pc0 bash]$ ./racing.sh 
    34
    [zorro@zorrozou-pc0 bash]$ ./racing.sh 
    25
    [zorro@zorrozou-pc0 bash]$ ./racing.sh 
    45
    [zorro@zorrozou-pc0 bash]$ ./racing.sh 
    5

多次执行之后，每次得到的结果都不一样，也没有一次是正确的结果。这就是典型的竞争条件引起的问题。当多个进程并发的时候，如果使用的共享的资源，就有可能会造成这样的问题。这里的竞争调教就是：当某一个进程读出文件值为0，并加1，还没写回去的时候，如果有别的进程读了文件，读到的还是0。于是多个进程会写1，以及其它的数字。解决共享文件的竞争问题的办法是使用文件锁。每个子进程在读取文件之前先给文件加锁，写入之后解锁，这样临界区代码就可以互斥执行了：

[zorro@zorrozou-pc0 bash]$ cat flock.sh
    #!/bin/bash
    
    countfile=/tmp/count
    
    if ! [ -f $countfile ]
    then
    echo 0 > $countfile
    fi
    
    do_count () {
    exec 3< $countfile
    #对三号描述符加互斥锁
    flock -x 3
    read -u 3 count
    echo $((++count)) > $countfile
    #解锁
    flock -u 3
    #关闭描述符也会解锁
    exec 3>&-
    }
    
    for i in `seq 1 100`
    do
    do_count &
    done
    
    wait
    
    cat $countfile
    
    rm $countfile
    [zorro@zorrozou-pc0 bash]$ ./flock.sh 
    100

对临界区代码进行加锁处理之后，程序执行结果正确了。仔细思考一下程序之后就会发现，这里所谓的临界区代码由加锁前的并行，变成了加锁后的串行。flock的默认行为是，如果文件之前没被加锁，则加锁成功返回，如果已经有人持有锁，则加锁行为会阻塞，直到成功加锁。所以，我们也可以利用互斥锁的这个特征，让bash脚本不会重复执行。

[zorro@zorrozou-pc0 bash]$ cat repeat.sh
    #!/bin/bash
    
    exec 3> /tmp/.lock
    
    if ! flock -xn 3
    then
    echo "already running!"
    exit 1
    fi
    
    echo "running!"
    sleep 30
    echo "ending"
    
    flock -u 3
    exec 3>&-
    rm /tmp/.lock
    
    exit 0

\-n参数可以让flock命令以非阻塞方式探测一个文件是否已经被加锁，所以可以使用互斥锁的特点保证脚本运行的唯一性。脚本退出的时候锁会被释放，所以这里可以不用显式的使用flock解锁。flock除了-u参数指定文件描述符锁文件以外，还可以作为执行命令的前缀使用。这种方式非常适合直接在crond中方式所要执行的脚本重复执行。如：

*/1 * * * * /usr/bin/flock -xn /tmp/script.lock -c '/home/bash/script.sh'

关于flock的其它参数，可以man flock找到说明。

# 受限bash #

以受限模式执行bash程序，有时候是很有必要的。这种模式可以保护我们的很多系统环境不受bash程序的误操作影响。启动受限模式的bash的方法是使用-r参数，或者也可以rbash的进程名方式执行bash。受限模式的bash和正常bash时间的差别是：

1.  不能使用cd命令改变当前工作目录。
2.  不能改变SHELL、PATH、ENV和BASH\_ENV环境变量。
3.  不能调用含有/的命令路径。
4.  不能使用.执行带有/字符的命令路径。
5.  不能使用hash命令的-p参数指定一个带斜杠\\的参数。
6.  不能在shell环境启动的时候加载函数的定义。
7.  不能检查SHELLOPTS变量的内容。
8.  不能使用>, >|, <>, >&, &>和 >>重定向操作符。
9.  不能使用exec命令使用一个新程序替换当前执行的bash进程。
10. enable内建命令不能使用-f、-d参数。
11. 不可以使用enable命令打开或者关闭内建命令。
12. command命令不可以使用-p参数。
13. 不能使用set +r或者set +o restricted命令关闭受限模式。

测试一个简单的受限模式：

[zorro@zorrozou-pc0 bash]$ cat restricted.sh 
    #!/bin/bash
    
    set -r
    
    cd /tmp
    [zorro@zorrozou-pc0 bash]$ ./restricted.sh 
    ./restricted.sh: line 5: cd: restricted

# subshell #

我们前面接触过subshell的概念，我们之前说的是，当一个命令放在()中的时候，bash会打开一个子进程去执行相关命令，这个子进程实际上是另一个bash环境，叫做subshell。当然包括放在()中执行的命令，bash会在以下情况下打开一个subshell执行命令：

1.  使用&作为命令结束提交了作业控制任务时。
2.  使用|连接的命令会在subshell中打开。
3.  使用()封装的命令。
4.  使用coproc（bash 4.0版本之后支持）作为前缀执行的命令。
5.  要执行的文件不存在或者文件存在但不具备可执行权限的时候，这个执行过程会打开一个subshell执行。

在subshell中，有些事情需要注意。subshell中的$$取到的仍然是父进程bash的pid，如果想要取到subshell的pid，可以使用BASHPID变量：

[zorro@zorrozou-pc0 bash]$ echo $$ ;echo $BASHPID && (echo $$;echo $BASHPID)
    5484
    5484
    5484
    24584

可以使用BASH\_SUBSHELL变量的值来检查当前环境是不是在subshell中，这个值在非subshell中是0；每进入一层subshell就加1。

[zorro@zorrozou-pc0 bash]$ echo $BASH_SUBSHELL;(echo $BASH_SUBSHELL;(echo $BASH_SUBSHELL))
    0
    1
    2

在subshell中做的任何操作都不会影响父进程的bash执行环境。subshell除了PID和trap相关设置外，其他的环境都跟父进程是一样的。subshell的trap设置跟父进程刚启动的时候还没做trap设置之前一样。

# 协进程coprocess #

在bash 4.0版本之后，为我们提供了一个coproc关键字可以支持协进程。协进程提供了一种可以上bash移步执行另一个进程的工作模式，实际上跟作业控制类似。严格来说，bash的协进程就是使用作业控制作为实现手段来做的。它跟作业控制的区别仅仅在于，协进程的标准输入和标准输出都在调用协进程的bash中可以取到文件描述符，而作业控制进程的标准输入和输出都是直接指向终端的。我们来看看使用协进程的语法：

coproc [NAME] command [redirections]

使用coproc作为前缀，后面加执行的命令，可以将命令放到作业控制里执行。并且在bash中可以通过一些方法查看到协进程的pid和使用它的输入和输出。例子：

zorro@zorrozou-pc0 bash]$ cat coproc.sh
    #!/bin/bash
    #例一：简单命令使用
    #简单命令使用不能通过NAME指定协进程的名字，此时进程的名字统一为：COPROC。
    coproc tail -3 /etc/passwd
    echo $COPROC_PID
    exec 0<&${COPROC[0]}-
    cat
    
    #例二：复杂命令使用
    #此时可以使用NAME参数指定协进程名称，并根据名称产生的相关变量获得协进程pid和描述符。
    
    coproc _cat { tail -3 /etc/passwd; }
    echo $_cat_PID
    exec 0<&${_cat[0]}-
    cat
    
    #例三：更复杂的命令以及输入输出使用
    #协进程的标准输入描述符为：NAME[1]，标准输出描述符为：NAME[0]。
    
    coproc print_username {
    while read string
    do
    [ "$string" = "END" ] && break
    echo $string | awk -F: '{print $1}'
    done
    }
    
    echo "aaa:bbb:ccc" 1>&${print_username[1]}
    echo ok
    
    read -u ${print_username[0]} username
    
    echo $username
    
    cat /etc/passwd >&${print_username[1]}
    echo END >&${print_username[1]}
    
    while read -u ${print_username[0]} username
    do
    echo $username
    done

执行结果：

[zorro@zorrozou-pc0 bash]$ ./coproc.sh
    31953
    jerry:x:1001:1001::/home/jerry:/bin/bash
    systemd-coredump:x:994:994:systemd Core Dumper:/:/sbin/nologin
    netdata:x:134:134::/var/cache/netdata:/bin/nologin
    31955
    jerry:x:1001:1001::/home/jerry:/bin/bash
    systemd-coredump:x:994:994:systemd Core Dumper:/:/sbin/nologin
    netdata:x:134:134::/var/cache/netdata:/bin/nologin
    ok
    aaa
    root
    bin
    daemon
    mail
    ftp
    http
    uuidd
    dbus
    nobody
    systemd-journal-gateway
    systemd-timesync
    systemd-network
    systemd-bus-proxy
    systemd-resolve
    systemd-journal-remote
    systemd-journal-upload
    polkitd
    avahi
    colord
    rtkit
    gdm
    usbmux
    git
    gnome-initial-setup
    zorro
    nvidia-persistenced
    ntp
    jerry
    systemd-coredump
    netdata

# 最后 #

本文主要介绍了一些bash编程的常用技巧，主要包括的知识点为：

1.  /dev/和/proc目录的使用。
2.  函数和递归。
3.  并发编程和flock。
4.  受限bash。
5.  subshell。
6.  协进程。

至此，我们的bash编程系列就算结束了。当然，shell其实到现在才刚刚开始。毕竟我们要真正实现有用的bash程序，还需要积累大量命令的使用。本文篇幅有限，就不探讨外部命令的详细使用方法和技巧了。希望这一系列内容对大家进一步深入了解bash编程有帮助。

# 转自 #

[SHELL编程之常用技巧][SHELL]  
作者：zorro  
微博ID：orroz  
微信公众号：Linux系统技术

[SHELL]: http://liwei.life/2016/06/20/shell%E7%BC%96%E7%A8%8B%E4%B9%8B%E5%B8%B8%E7%94%A8%E6%8A%80%E5%B7%A7/