Shell 变量教程：字符串、数组与 echo

本文是学习 Shell 的第一节，主要介绍 Shell 变量的定义与运算：

变量名和变量类型
echo 命令和转义字符
字符串在单引号和双引号下表现不同
{} 用于限定字符串的范围
关键字 unset 和 readonly

1. 变量定义

Shell 中变量定义如下：

var_name=variable

其中，var_name 是变量名，variable 是变量值。变量名和变量值之间的 = 左右一定不能有空格！

1.1 变量名

Shell 变量名需满足如下规则：

只能是字母、数字、下划线，不能数字开头
大小写敏感
不要包含 Shell 关键字（可用 help 命令获取）

根据以上规则，合法的变量名：

hello
hello000
hello_world_00
_konichiwa
nihao_

非法变量名：

help # 关键字
ni hao # 有空格
9am # 数字开头

1.2 变量值

Shell 中变量值分字符串和数组两种。

变量值来源有直接赋值和来自命令输出两种。

1.2.1 字符串

字符串是 Shell 中常见的数据类型。Shell 中没有 int bool 各种类型。除了数组（下面会介绍）之外都是字符串。

下面所有变量都是字符串：

a="xy"
b=1
c="1"
d="hello world"
e="x\n"
f='x'
g='x\n'

在定义字符串的值时，可以添加引号来显式确定范围，实际结果中不会包含这个引号。需要注意单引号和双引号的区别（下面会介绍）。

a="xy"
a='xy'
a=xy

上面三个定义中 a 的值都是 xy（不带引号）

当然，也可以用其他命令输出作为变量值，用 `cmd`（反引号，esc 下面那个键）或者 $(cmd) 的方式：

x=`pwd`
x=$(pwd)

1.2.2 数组

用圆括号 () 定义，元素之间用空格分开：

var_list=(1 2 3)

Shell 中的数组类似 Python 中的 dict，有 key 和 value 之分，只是恰好这个 key 是整数。所以也可以如下定义数组：

var_list=(0=[hhh] 1=[2])

数组的元素是下面介绍的字符串。Shell 只支持一维数组，不支持高维数组。

当然，Shell 中数组也可以来自命令输出，用 `cmd`（反引号，esc 下面那个键）或者 $(cmd) 的方式：

a=`ls -a`
b=$(ls -a)
echo 'files are `ls -a`'
echo "files are `ls -a`"
echo "files are $(ls -a)"

1.3 变量引用

定义一个变量后，在其他地方要使用这个变量的值。

1.3.1 `echo` 命令

在介绍 Shell 中变量引用之前，先介绍 Shell 中的 echo 命令，它的作用是打印变量值。（类似 Python 中的 print 和 C++ 中的 printf）。

echo "haha" # haha

echo 命令也有参数：加上 -e 则有转义，加上 -E 参数则没有转义（默认无转义）。e 是 escape 的意思。Shell 中转义字符如下：

转义字符	含义
`\\`	反斜杠
`\a`	警报，响铃
`\b`	退格（删除前面一个字符）
`\f`	换页 (FF)，将当前位置移到下页开头
`\n`	换行
`\r`	回车
`\t`	水平制表符（tab 键）
`\v`	垂直制表符

关于 \n 和 \r 的区别，可以参考另外一篇文章。

echo -e "x\n"
# x
#

echo -E "\n"
# \n

1.3.2 变量引用

引用已经定义好的变量：在变量名前面添加 $（定义变量或变量重新赋值时不加 $）
用 $ 获取变量时候，可添加 {} 来显式界定变量范围

为说明这个问题，先介绍 Shell 中字符串的拼接操作，将两个字符串写在一起。

a=5
b=6
echo a # output a
echo $a$b # output 56
echo $a # output 5
echo ${a}x # output 5x
echo $ax # output None(no output)

大括号 {} 用来界定范围，${a}x 界定变量是 a 而不是 ax。

Shell 中变量可以用引号括起来，实际内容不会包含引号。其中单双引号并不能通用：

单引号中的内容，也不会计算变量值，是啥样就是啥样
双引号中的内容，会先计算变量结果，然后输出

a=5
echo 'a'  # output a
echo "a" # output a
echo '$a' # output $a
echo "$a" # output 5
echo $a # output 5

1.3.3 变量替换

Shell 中对于没有定义的变量强行 echo，则会啥也不输出，也不会报错。为解决变量没有定义造成的问题，Shell 中有变量替换的语法，用于处理变量没有赋值时候的场景。

形式	说明
`${var}`	`var` 的值
`${var:-word}`	`var` 若被定义，则输出 `var` 的值；`var` 若为空，或者未定义或已被删除 (`unset`)，返回 `word`，但不改变 `var` 的值。
`${var:=word}`	`var` 若被定义，则输出 `var` 的值；`var` 若为空或已被删除 (`unset`)，返回 `word`，并将 `var` 的值设置为 `word`。
`${var:?message}`	`var` 若被定义，则输出 `var` 的值；`var` 若为空或已被删除 (`unset`)，消息 `message` 送到标准错误输出。该操作可以用来检测变量 `var` 是否可以被正常赋值。若此替换出现在 shell script 中，则 shell script 将停止执行。
`${var:+word}`	`var` 若被定义，那么返回 `word`，但不改变 `var` 的值。如果 `var` 没有被定义，则返回空。

1.4 变量 `unset` 和 `readonly`

Shell 中定义一个变量后，可以通过 unset 的方式删掉。

a=4
echo $a # output 4
unset a
echo $a # output None(no output)

在 Shell 中如果一个变量被删除掉，再引用则会得到 None 的返回。这和大多数编程语言不一样，大多数编程语言在处理没有定义的变量时会直接报错。（Shell 这种机制也增加了 Shell script 的调试难度。）

定义变量时候添加 readonly 关键字：

readonly x=5
x=6 # readonly variable

变量前添加 readonly 之后，是无法删除掉的。

2. 字符串运算

Shell 变量都是数组和字符串。对于变量，除了获取变量的值之外，还可以进行更多操作。常见的操作有：

字符串求长度
字符串拼接
字符串截取
字符串比较
数字字符串的运算

2.1 字符串求长度

x="hello world"
echo ${#x} # 11

# 是 shell 中表示注释的符号，如果在一个变量前面，左右又被 {} 包围，则是求长度的意思。

2.2 字符串拼接

就是将多个字符串合并为一个字符串，直接排列即可。

x=5
y='u'
z=$x$y
echo $z # 5u
z=${x}${y}
echo $z # 5u

2.3 字符串截取

从原来的字符串中按照一定规则取出来一部分。

2.3.1 按长度截取

对变量 x 进行截取：

${x:start:length}

从左往右截取
start 是开始的 index
- Shell 中数组最开始元素的 index 是 0
- start 可以是一个数，表示是开始的 index。
- start 也可以是 0-n 样子，则是从后往前找开始的字符
如果 length 长度超出了整个字符串结尾，则截取 start 开始的所有字符

x="hello world"
y=${x:1:2} # 1 is the start index left to right, 2 is the length
echo $y # el
y=${x:0-5:2} # right to left
echo $y # wo

2.3.2 按特定字符截取

# 截取右边字符，% 截取左边字符
一个 #（或 %）表示从左往右第一个，两个表示从左往右最后一个
用 * 表示任意字符

# 使用#截取从左往右的右边的字符
url="http://aoi.ai/index.html"
echo ${url#*/}    # /aoi.ai/index.html，从左往右第一个右边的字符
echo ${url##*/}   # index.html，从左往右最后一个右边的字符

str="---aa+++aa@@@"
echo ${str#*aa}   # +++aa@@@
echo ${str##*aa}  # @@@

# 使用%截取从左往右左边的字符
url="https://aoi.ai/index.html"
echo ${url%/*}  # https://aoi.ai
echo ${url%%/*}  # http:

str="---aa+++aa@@@"
echo ${str%aa*}  # ---aa+++
echo ${str%%aa*}  # ---

2.4 字符串比较

2.4.1 `test` 和 `if` 函数

可以在 Shell 中对字符串进行比较。判断的结果可以传递给 if 等函数。例子如下：

# use test function
if test "$a" = "$b";then
 command_1
 else
 command_2
fi

# use [ ]
if [ "$a" = "$b" ]; then
command_1
else
command_2
fi

分号 ; 并非必要。test "$a" = "$b" 就是用于比较的意思，比较的结果传递给 if 函数，如果 test 中的结果为真，则执行 command_1，否则执行 command_2。在实际使用中 test 可以用中括号 [] 来表示。

2.4.2 字符串相等与不等

如果两个字符串完全一样，则是相等；如果不一样则不等。判断相等用 =（左右有空格），判断不等用 !=（左右有空格）。

a=5
b=5
if [ $a = $b ]; then
echo "equal"
fi

在实际使用中，还会遇到双等号（==）情况：

在 bash 中，单等号和双等号是等效的
在其他 shell 中，则单等号表示相等

所以推荐的写法是用单等号。

2.4.3 数字字符串操作

在 Shell 中，虽然没有特别的数字类型数据，但是如果字符串符合整数形式，则可以按照数字来处理：除了可以比较相等与否，还可以比较大小：

含义	表示方式
equal 等于	`-eq`
not equal 不等于	`-ne`
greater than 大于	`-gt`
less than 小于	`-lt`
greater equal 大于等于	`-ge`
less equal 小于等于	`-le`

需要注意的是，这些运算左右一定要是整数，否则就会报错。

a=3
b=2
if [ $a -eq $b ]; then
echo "$a equals $b"
else
echo "$a does not eqaul $b"
fi

2.4.4 数字四则运算

Shell 中没有数字这种类型，数字也被当成字符串处理。如果非要进行数字四则运算，则需要借助额外的工具。

整数运算

使用 expr 函数，规则是 expr var_a operator var_b，常见整数运算符：

运算符	表示方式
整数加法	`+`
整数减法	`-`
整数乘法	`\*`
整数除法	`/`
整数取余数	`%`
左括号	`\(`
右括号	`\)`

除法就是整数除法，结果是整数，直接去掉后面的小数

expr -5 / -3 # 1
expr -5 / -3 # -1
expr 5 / -3 # -1
expr 5 / 3 # 1

求余数以第一个变量符号为准

expr 5 % 3 # 2
expr 5 % -3 # 2
expr -5 % -3 # -2
expr -5 % 3 # -2

1. 括号用于改变运算优先顺序，变量之间要添加空格
```
expr $ 5 + 3 $ \* 2
```

叠加 expr 运算符，用于连续计算

expr $(expr 4 + 5) \* 8 # 72
expr `expr 4 + 5` \* 8 # 72

浮点运算

浮点运算要用 bc：

echo 5.5 + 5.5 + 5.5 | bc # 16.5
echo 5.5 \* \( 5.5 + 5.5 \) | bc # 60.5

其中 | 是管道命令，将前一个命令的输出作为后一个命令的输入。添加 scale 可以设置保留的位数。

echo 5.5 / 10 | bc # 0
echo "scale=4; 5.5 / 10" | bc # 0.5500

3. 数组运算

3.1 数组访问

3.1.1 访问某一个元素

用 ${a[index]}，Shell 中数组元素 index 从 0 开始。

a=(1 2 3)
echo "${a[2]}" # 3

index 可以是正整数，表示从左往右数的第几个数。如果 index 指代的索引不存在，则返回空。

a=(1 2 3)
echo "${a[4]}" # 输出一行空白，表示没有

当然，也可以像字符串截取一样，使用 0-n 的形式，表示从右到左，此时从 1 开始记数：

a=(1 2 3)
echo "${a[0-1]}" # 3

3.1.2 数组遍历

要同时输出数组中的所有元素，可以用 @ 或者 *：

a=(1 3 5)
echo "${a[@]}" # 1 3 5
echo "${a[*]}" # 1 3 5

Shell 中还有一个用于遍历访问的函数 for：

for i in ${a[@]};
do
command_1
done

其中 a 是一个数组。in 后面的对象不能是数组，而要用 ${a[@]} 或者 ${a[*]} 的形式：

a=(1 2 3)

for i in ${a[@]};
do
echo $i
done
# 1
# 2
# 3

for i in ${a[*]};
do
echo $i
done
# 1
# 2
# 3

for i in $a;
do
echo $i
done
# 1

$a[*] 和 $a[@] 都表示数组中所有元素，它们有什么区别呢：

不被双引号(” “)包含时，都以 "$1" "$2" … "$n" 的形式输出所有参数。
当它们被双引号(” “)包含时：
- "$a[*]" 会将所有的参数作为一个整体，以 "$1 $2 … $n" 的形式输出所有参数
- "$a[@]" 会将各个参数分开，以 "$1" "$2" … "$n" 的形式输出所有参数

a=(1 2 3)

for i in "${a[@]}";
do
echo $i
done
# 1
# 2
# 3

for i in "${a[*]}";
do
echo $i
done
# 1 2 3

借助 * 和 @ 符号，可以获得数组中所有元素。和获取字符串长度类似，也可以获得整个数组中的元素个数：

a=(1 2 3)
echo "${#a[@]}"

3.1.3 数组截取

意思是说取得数组的部分，类似字符串访问：

a=(1 2 3)
echo "${a[@]:1:2}" # 2 3
echo "${a[@]:0-1:2}" # 3

3.2 数组修改

修改数组中某一个元素，用赋值的方式去修改（不要添加美元符号）。

a=(1 2 3)
echo "${a[1]}" # 2
a[1]=4
echo "${a[1]}" # 4

往数组后面添加一个元素，只需要将 index 设置为数组长度后面一个就行。

a=(1 2 3)
echo "${#a[@]}"  # 3
a[3]=4
echo "${#a[@]}"  # 4
a[8]=6
echo "${#a[@]}"  # 5

这个 index 可以是任意正数。数组 a 本身长度为 3，此时可以设置 a[3] 的值，也可以设置 a[5] 的值。这个时候，数组又有点类似 Python 的字典了，其中 key 就是 index，如果 index 不存在则返回空。虽然强行添加了 a[8]，但是整个数组的长度还是 5。

3.3 数组删除

使用 unset

a=(1 2 3)
unset a[0]
echo "${a[0]}" # 空白

3.4 数组元素替换

数组中的元素也可以替换，替换的是 value，不是 key。而且不会修改原来数组。

a=(1 2 3)
echo "${a[@]/3/777}" # 1 2 777
echo "${a[@]}"  # 1 2 3

总结

本文介绍了 Shell 中变量定义和运算：包含了字符串的运算和数组的运算，字符串的运算中包括判断是否相等，整数的四则运算，浮点数四则运算；数组的运算包含了数组的增删查改。