Shell 脚本编程全面学习指南

前言

Shell 脚本编程是 Linux 和 Unix 系统管理、自动化任务的核心工具之一。通过 Shell 脚本，你可以自动化重复性操作、简化复杂流程、提高系统管理效率，甚至构建完整的自动化运维工具。本文将带你从基础到进阶，全面学习 Shell 脚本编程，涵盖语法、结构、调试、最佳实践等内容。

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一、Shell 简介与环境搭建

1.1 什么是 Shell？

Shell 是命令行解释器，是用户与操作系统内核之间的桥梁。它接收用户输入的命令，并调用相应的程序或服务来执行。

常见的 Shell 有：

• Bash（Bourne-Again Shell）：Linux 系统默认的 Shell，广泛使用。
• sh（Bourne Shell）：早期的 Unix Shell，兼容性好。
• zsh（Z Shell）：功能更强大、交互性更强的现代 Shell。
• PowerShell：Windows 和跨平台环境下使用的 Shell，语法不同但功能类似。

本文以 Bash 为例进行讲解。

1.2 环境准备

在 Linux 或 macOS 系统中，Bash 通常已经预装。可以通过以下命令查看当前 Shell：

echo $SHELL

如果你使用的是 Windows，可以安装：

• Windows Subsystem for Linux (WSL)：推荐使用 WSL2，支持完整的 Linux 环境。
• Git Bash：轻量级的 Bash 环境，适合开发人员。

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二、第一个 Shell 脚本

2.1 编写脚本

创建一个名为 hello.sh 的文件：

#!/bin/bash
# 这是我的第一个 Shell 脚本

echo "Hello, World!"

2.2 执行脚本

给脚本添加执行权限：

chmod +x hello.sh

执行脚本：

./hello.sh

2.3 解释 shebang

#!/bin/bash 被称为 shebang，用于告诉系统该脚本应使用哪个解释器来执行。不同的 shebang 可以指定不同的 Shell，例如：

• #!/bin/sh：使用 Bourne Shell
• #!/usr/bin/env python：使用 Python 解释器运行脚本

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三、Shell 脚本基础语法

3.1 变量定义与使用

Shell 中变量不需要声明类型，赋值时等号两侧不能有空格：

name="Qwen"
echo "Hello, $name"

可以使用 ${name} 来避免歧义：

echo "Hello, ${name}_user"

3.2 命令替换

将命令的输出结果赋值给变量：

current_date=$(date)
echo "当前时间是：$current_date"

也可以使用反引号实现相同功能：

current_date=`date`

3.3 输入输出操作

读取用户输入：

read -p "请输入你的名字：" username
echo "你好，$username"

输出重定向：

echo "Hello" > output.txt     # 覆盖写入
echo "World" >> output.txt    # 追加写入

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四、条件判断与控制结构

4.1 if 语句

age=20
if [ $age -ge 18 ]; then
    echo "你已成年"
else
    echo "你还未成年"
fi

4.2 比较运算符

运算符	含义
-eq	等于
-ne	不等于
-lt	小于
-le	小于等于
-gt	大于
-ge	大于等于

4.3 字符串比较

str1="hello"
str2="world"
if [ "$str1" = "$str2" ]; then
    echo "字符串相等"
else
    echo "字符串不相等"
fi

4.4 case 语句

case $1 in
    start)
        echo "启动服务"
        ;;
    stop)
        echo "停止服务"
        ;;
    *)
        echo "未知命令"
        ;;
esac

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五、循环结构

5.1 for 循环

for i in {1..5}; do
    echo "第 $i 次循环"
done

遍历数组：

names=("Alice" "Bob" "Charlie")
for name in "${names[@]}"; do
    echo "Hello, $name"
done

5.2 while 循环

count=1
while [ $count -le 5 ]; do
    echo "计数：$count"
    count=$((count + 1))
done

5.3 until 循环（直到条件为真）

count=1
until [ $count -gt 5 ]; do
    echo "计数：$count"
    count=$((count + 1))
done

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六、函数与模块化编程

6.1 定义函数

greet() {
    echo "你好，$1"
}

greet "Alice"
greet "Bob"

6.2 返回值与局部变量

add() {
    local result=$(( $1 + $2 ))
    echo $result
}

sum=$(add 3 5)
echo "3 + 5 = $sum"

6.3 函数参数传递

函数参数通过 $1, $2, ... 传递：

log() {
    echo "[$(date +%H:%M:%S)] $1"
}

log "脚本开始执行"

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七、数组与集合操作

7.1 定义数组

fruits=("apple" "banana" "cherry")

7.2 访问数组元素

echo "第一个水果是：${fruits[0]}"
echo "所有水果是：${fruits[@]}"

7.3 遍历数组

for fruit in "${fruits[@]}"; do
    echo "$fruit"
done

7.4 数组操作

• 添加元素：

fruits+=("orange")

• 删除元素：

unset fruits[1]

• 获取数组长度：

echo "水果数量：${#fruits[@]}"

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八、脚本参数与退出状态

8.1 获取脚本参数

echo "脚本名称：$0"
echo "第一个参数：$1"
echo "所有参数：$@"
echo "参数个数：$#"

8.2 退出状态码

脚本的退出状态码用于表示执行是否成功：

exit 0   # 成功
exit 1   # 错误

可以通过 $? 获取上一个命令的退出状态：

ls /nonexistent
echo "上一个命令的状态码：$?"

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九、文件与目录操作

9.1 文件测试

if [ -f "file.txt" ]; then
    echo "文件存在"
fi

常见测试操作符：

操作符	含义
-f	是否为文件
-d	是否为目录
-r	是否可读
-w	是否可写
-x	是否可执行

9.2 文件操作示例

• 创建文件：

touch newfile.txt

• 删除文件：

rm -f file.txt

• 移动/重命名文件：

mv oldname.txt newname.txt

• 查看文件内容：

cat file.txt

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十、调试与优化脚本

10.1 调试脚本

使用 -x 参数调试脚本：

bash -x script.sh

或者在脚本开头加上：

set -x

关闭调试：

set +x

10.2 脚本优化技巧

• 使用 set -u 防止使用未定义变量。
• 使用 set -e 在出现错误时立即退出脚本。
• 使用 trap 捕获信号，进行清理操作：

trap "echo '脚本被中断'; exit 1" INT

• 使用 getopts 解析命令行参数：

while getopts "a:b:c" opt; do
    case $opt in
        a)
            echo "选项 a 的值：$OPTARG"
            ;;
        b)
            echo "选项 b 的值：$OPTARG"
            ;;
        c)
            echo "选项 c 被设置"
            ;;
        \?)
            echo "无效选项：-$OPTARG"
            ;;
    esac
done

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十一、实战项目：自动化备份脚本

#!/bin/bash

# 设置变量
backup_dir="/backup"
source_dir="/home/user/documents"
timestamp=$(date +%Y%m%d%H%M%S)
backup_file="$backup_dir/backup_$timestamp.tar.gz"

# 创建备份目录（如果不存在）
mkdir -p $backup_dir

# 执行备份
tar -czf $backup_file $source_dir

# 检查是否成功
if [ $? -eq 0 ]; then
    echo "备份完成：$backup_file"
else
    echo "备份失败"
    exit 1
fi

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十二、高级主题与最佳实践

12.1 使用正则表达式

if [[ "hello123" =~ ^[a-zA-Z0-9]+$ ]]; then
    echo "匹配成功"
fi

12.2 使用关联数组（Bash 4+）

declare -A user_info
user_info["name"]="Alice"
user_info["age"]=25
echo "用户姓名：${user_info[name]}"

12.3 使用子 Shell

(
    cd /tmp
    touch testfile
)

12.4 使用 Here Document

cat << EOF > output.txt
这是第一行
这是第二行
EOF

12.5 使用别名与函数库

可以将常用函数放入一个 .sh 文件中作为库文件：

# utils.sh
log() {
    echo "[$(date +%H:%M:%S)] $1"
}

在主脚本中引用：

source utils.sh
log "脚本开始执行"