學習Shell程式設計，需要對Shell有一些基本瞭解。本文從計算機發展歷史介紹各種Shell之間的變遷。到了開始學習Linux Shell程式設計時候，則要知道常見的Shell如bash/zsh的差異，以及Shell各種登陸方式。

1 從終端機（Terminal）說起

Shell 命令執行在終端中，談論 Shell 時一定離不開終端機。終端機的英文是 Terminal，也有翻譯為命令列的，這個翻譯很好地反映了工具的作用：接受命令輸入，展示命令執行過程，給出命令輸出。

常見作業系統中都有終端：OSX 系統有終端機，linux 系統有 gnome-terminal，Windows 系統有 Windows-Terminal。

mac Terminal

1.1 終端機—從硬體到軟體

要了終端機，需要了解一些計算機的發展歷史。馮諾伊曼計算機架構下，計算機分為輸入、出入、儲存、控制、計算部分。早期計算機都是龐然大物，這幾部分都是分開的。輸入輸出靠紙帶，讀取紙帶的打孔獲得輸入，計算機執行完成，往紙帶上打孔用以輸出。使用起來相當麻煩：當時優秀的程式設計師都是直接寫01程式碼的。

世界上第一臺計算機

世界上第一臺計算機

寫一個程式，就要消耗一堆紙帶，新修改程式重新執行，得重新打紙帶。就像用簽字筆在紙上寫字一樣，寫錯了就只能劃掉。（當然我猜測可能有修正帶這樣的東西。）這顯然不是正常人類幹出來的事，既不好讀也不好寫，更不用說除錯了。

隨著計算機的的發展，鍵盤成了計算機的輸入，顯示器成為計算機的輸出，這兩玩意組合到一起，通過電纜和主機連線到一起：鍵盤輸入，主機執行，顯示器顯示命令執行結果。這方式可以比紙帶高效，修改起來也更加方便，人機互動就容易了許多，比紙帶不知道高到哪裡去了。由是觀之，今有鍵盤俠，古無紙帶客，此言誠不我欺。

鍵盤顯示器這兩個玩意組成的裝置就是終端。它們其實並不算計算機的一部分（計算機的主要部分還是中間運算的部分），但有了它（指的是鍵盤和顯示器一起）之後，人類和計算機互動起來效率是大大地高。那麼是不是可以給計算機本身也設定一個這樣的裝置呢，計算機啟動的時候還可以輸出一些日誌，顯示狀態、報錯等。當然是可以的！這樣的“終端”就被稱為控制台（console）。通過這個特殊的終端，可以對整個計算機進行控制。

隨著技術進步，計算機進入積體電路時代，各種電路都塞到晶片中去了，電腦越做越小，微機越來越流行。

MOSFET

一種電晶體 MOSFET 的結構，圖片來自維基百科

以前的龐然大物現在都可以放到口袋裡面帶走了。鍵盤顯示器成了電腦的標配。反而那種只能和大型主機互動的裝置徹底走入歷史，硬體終端完全消失，取而代之的是軟體終端：在微機上用一套軟體模擬終端和主機進行互動。

1.2 鍵盤和 tty

在 Linux 中，開啟終端就會自動開啟一個 Shell（如 Bash），還會顯示tty：

Last login: Mon Sep 20 10:34:38 on ttys006

tty 是什麼意思？這要從鍵盤說起。最開始鍵盤都是機械結構，直接將墨水印在紙上。它只是解決了資訊輸入的問題，而並沒有解決遠端輸出的問題，即把資訊從一個裝置傳送到另外一個裝置。

通訊技術在同步發展，此時已經有了電傳打字機（teletype/teletypewriter），能夠實現如下功能：

  1. 在本地通過鍵盤輸入一些資訊
  2. 輸入結果能夠在本地紙張上顯示
  3. 本地輸入結果能夠傳遞到別的裝置中，被別的裝置識別
  4. 能夠接受別的裝置的輸出，並且翻譯為人類可以讀的東西

這玩意就被稱為 tty，按照詞綴來翻譯就是遠端輸入或者遠端打字。翻譯為電傳打字的意思是說它傳遞的是電訊號。

二戰中使用的teletype

二戰中使用的 teletype圖片來自維基百科

在計算機出現之前，人們就已經建立起了以電傳打字機為節點的“網際網路”。這個“網際網路”，可以交換股票資料。計算機開始發展之後，人們也發現有和計算機互動的需求，於是就直接把 tty 拿過來了，作為計算機的輸入輸出部分。tty 是可以脫離計算執行的，它並不是計算機的一部分；現在的伺服器在沒有鍵盤顯示器的情況下也能執行。

某些情況下，又不得不依賴鍵盤顯示器操作。如果伺服器宕機了需要處理，就需要給伺服器連線顯示器和鍵盤進行診斷。此時這樣的終端也被看成是控制台（console），它的作用是輸出計算機的基本資訊，它屬於計算機的一部分。當然現在並不會明顯區分終端和控制台，它們都是和計算機互動的工具。

現在系統中還有tty命令，用於顯示當前終端：

tty
/dev/ttys009

在 Linux 中，可以執行Alt + Ctrl + F{2,6} 開啟各個 tty。究竟有多少個 tty 呢，檢視/dev/資料夾，看其中的tty檔案。在 linux 中，一切皆檔案。tty 不例外，也可以向 tty 寫入資訊：

echo "hello" >> /dev/tty1

通過who命令可以獲取所有的登陸的終端，echo內容到/dev/tty{n} 可以在對應終端上顯示。

通常 ssh 時候，執行tty獲得的資訊可能是pts，這是 pseudo terminal 的縮寫，表示偽終端。在核心中有兩部分，master side 和 tty 驅動中實現的 slave side。如果在 ssh 情況下輸入 tty，則會是/dev/pts，也可以通過往/dev/pts 中寫入資訊往終端傳輸資訊。

2 Shell 是什麼

前面說到了終端，通過它可以和計算機進行互動。實際上終端也不是直接去控制硬體，而是它和作業系統（Operator System）核心（Kernel）互動，讓作業系統核心去控制硬體。

核心

作業系統核心，圖片來自鳥哥的 linux 私房菜

設計作業系統這一中介的原因，本質是計算機系統太複雜，如果每執行一個操作就直接操作計算機硬體，那將複雜到無法完成。電子計算機主要依靠電晶體中電子運動形成的高低電壓，目前最新 CPU 已經能夠整合 10 億級別的電晶體，如果手工去操作，寫程式碼絕對要到地老天荒。

解決辦法是層層抽象，只要給作業系統發指令，剩下的事情就讓作業系統幫我們搞定。Shell 就是我們給作業系統傳送指令的一個通道。

廣義上任何能夠給作業系統傳送資訊實現一定功能的程式都是 Shell。如 Windows/MacOS 上各種軟體，Windows 檔案瀏覽器，Mac 上的 Finder，Linux/Unix 上的文字介面的 Shell 程式。狹義的 Shell 指的是 Linux/Unix 上的用 C 語言寫成的程式，如 Bash/Zsh。本文以 Bash/Zsh 為代表，介紹狹義 Shell 的使用。

2.1 使用 Shell 的理由

  1. 大部分伺服器執行 Linux/Unix作業系統，Shell 是原生的管理方式
  2. Shell 傳遞文字介面，對頻寬要求比較低
  3. 靈活使用 Shell，可以提升效率

3 Shell 登陸方式

Shell 有多種使用方式：

  1. 文字介面登陸 Linux 系統
  2. 在圖形介面直接開啟終端機
  3. 通過 ssh 遠端登陸伺服器
  4. 執行一段 Shell Script

需要對上面的場景進行一些分類：按照是否需要輸入密碼，可以分為登入式（login）和非登陸式（non-login）；按照執行一個檔案還是執行一個命令，可以分為互動式（interactive）和非互動式（non-interactive）。

3.1 登陸與非登陸式

登陸式和非登陸式的區別在於啟動退出時候讀取的檔案不一樣。

3.1.1 登陸式

本地 Linux，進入系統後直接開啟 terminal，這種方式被稱為非登陸（non-login），因為不需要輸入賬戶和密碼。bash 有如下設定檔：

/ect/profile
~/.bash_profile
~/.bash_login
~/.profile
~/.bash_logout

對於 login 的 Shell，通常會讀取兩個檔案：

  1. /etc/profile，系統設定，一般不要修改
  2. ~/.bash_profile、~/.bash_login 、~/.profile中的一個，讀到一個就停止

通常設定的卻是~/.bashrc檔案。其中rc是 run common 的意思。但~/.bashrc並不是上面 2 中任何檔案。奧秘就在~/.bash_profile中：

cat ~/.bashrc
# .bash_profile

# Get the aliases and functions
if [ -f ~/.bashrc ]; then
	. ~/.bashrc
fi

# User specific environment and startup programs

它直接就讀取~/.bashrc檔案了。

3.1.2 非登陸式

對於 non-login 的 Shell，它只讀取~/.bashrc這一個設定檔。

3.1.3 su切換時候的環境變數

在 Linux 中，通過su命令切換使用者。su 是 switch user 的意思。通常su後，只是切換使用者，並不會切換其他的。而執行su -之後，就會直接切換到 root 賬戶，連環境變數都會切換的。

3.2 互動式和非互動式

3.2.1 互動式執行

互動式（interactive）執行就是輸入一條命令，執行，輸出執行結果或者報錯。直接開啟命令列工具或 SSH 時候預設狀態。好處就是可以馬上執行，獲得結果或者報錯。後面第五部分會詳細介紹互動式 Shell 的設定。

3.2.2 非互動式

簡單來說就是執行 Shell Script。把要執行的命令按照順序寫到一個檔案裡，這個檔案就是 Shell Script，然後讓 Shell 呼叫這個指令碼，裡面的命令從上到下執行。Shell Script 的好處在於可以快速地複用命令，比如有如下場景：

  1. 同樣的命令需要執行 100 次，但是命令本身並不提供迴圈執行的參數，比如對 100 個檔案按照規則改名
  2. 執行的命令比較長，需要在前幾條修改一下參數，然後執行後面的命令獲取結果
  3. 在電腦 A 上執行的命令需要在電腦 B（或者更多電腦）上原樣執行一番

此時若採用互動式執行，則需要不停的敲鍵盤執行，和敲擊滑鼠無異，效率提升有限。執行檔案的方式就時非互動式（non-interactive），此時執行就簡化了許多。非互動式執行會開啟一個新的執行緒來執行 Shell 命令，當執行遇到EOF之後，整個執行緒就會退出。

4 Shell Script

在非互動式執行中，需要特別學習 Shell Script 的語法：藉助 Shell Script 的語法，還可以對命令進行擴充，如迴圈執行一條命令，如按照條件執行命令。Shell Script 程式設計的學習曲線有些陡峭：

  1. 空格十分敏感 在 Shell Script 中，等號（=）左右有無空格，表示完全不同的意思，但這樣的錯誤一開始是很難發現的
  2. 報錯過於簡單 如果遇到了空格問題，報錯不會提示空格缺失，而會說缺少命令
  3. 遇到錯誤後繼續執行 一般的程式語言是遇到錯誤後停止執行，shell script 跳過錯誤，繼續執行，前面不對的結果會影響後面的執行，如果不好好查 log，就不知道錯誤在哪裡了
  4. 缺乏方便除錯工具 除錯起來不是很方便，常常是在執行中除錯。執行一次，再除錯，環境就不一樣的。

5 zsh 設定

當然，互動式的 Shell 也是被廣泛使用的工具。

sh 是最古老的 Shell，目前已經不怎麼使用了。目前最流行版本是 Bash（orne Again Shell），但是 Bash 在沒有設定的情況下很難用。常見的 Shell 還有 Zsh、Fish、Ksh、Tcsh。一般比較推薦 Zsh，它相對於 Bash 而言，有更好的補全和跳轉功能。搭配上oh-my-zsh外掛，可以極大提升效率。zsh 安裝方式如下：

sudo dnf install zsh

安裝好 zsh 之後需要切換系統預設登陸 Shell 為 zsh：

sudo chsh -s /usr/bin/zsh user_name

設定oh-my-zsh：

sh -c "$(curl -fsSL https://raw.github.com/ohmyzsh/ohmyzsh/master/tools/install.sh)"

設定oh-my-zsh外掛，找到~/.zshrc檔案，在plugins中新增：

plugins=(
   git
   extract
   zsh-syntax-highlighting
   zsh-autosuggestions
 )

總結

本文主要介紹 Shell 的基本概念，主要解決 Shell 使用之前的問題。先介紹了終端機（Terminal）、tty 等概念，然後介紹了 Shell 互動和非互動的執行方式，最後介紹了 Shell 互動執行時候 zsh 的使用方式，設定oh-my-zsh相關的設定。