SHELL编程之常用技巧

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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。

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