Shell是什么?1分钟理解Shell的概念!

现在我们使用的操作系统(Windows、Mac OS、Android、iOS 等)都是带图形界面的,简单直观,容易上手,对专业用户(程序员、网管等)和普通用户(家庭主妇、老年人等)都非常适用;计算机的普及离不开图形界面。

然而在计算机的早期并没有图形界面,我们只能通过一个一个地命令来控制计算机,这些命令有成百上千之多,且不说记住这些命令非常困难,每天面对没有任何色彩的“黑屏”本身就是一件枯燥的事情;这个时候的计算机还远远谈不上炫酷和普及,只有专业人员才能使用。
早期的计算机
图:早期的电脑,都是“黑纸白字”
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对于图形界面,用户点击某个图标就能启动某个程序;对于命令行,用户输入某个程序的名字(可以看做一个命令)就能启动某个程序。这两者的基本过程都是类似的,都需要查找程序在硬盘上的安装位置,然后将它们加载到内存运行。
关于程序的运行原理,请猛击《载入内存,让程序运行起来》。
换句话说,图形界面和命令行要达到的目的是一样的,都是让用户控制计算机。

然而,真正能够控制计算机硬件(CPU、内存、显示器等)的只有操作系统内核(Kernel),图形界面和命令行只是架设在用户和内核之间的一座桥梁。
如果你不了解操作系统的作用,请转到《操作系统是什么》。
由于安全、复杂、繁琐等原因,用户不能直接接触内核(也没有必要),需要另外再开发一个程序,让用户直接使用这个程序;该程序的作用就是接收用户的操作(点击图标、输入命令),并进行简单的处理,然后再传递给内核,这样用户就能间接地使用操作系统内核了。你看,在用户和内核之间增加一层“代理”,既能简化用户的操作,又能保障内核的安全,何乐不为呢?

用户界面和命令行就是这个另外开发的程序,就是这层“代理”。在Linux下,这个命令行程序叫做 Shell

Shell 是一个应用程序,它连接了用户和 Linux 内核,让用户能够更加高效、安全、低成本地使用 Linux 内核,这就是 Shell 的本质。

Shell 本身并不是内核的一部分,它只是站在内核的基础上编写的一个应用程序,它和 QQ、迅雷、Firefox 等其它软件没有什么区别。然而 Shell 也有着它的特殊性,就是开机立马启动,并呈现在用户面前;用户通过 Shell 来使用 Linux,不启动 Shell 的话,用户就没办法使用 Linux。

Shell 是如何连接用户和内核的?

Shell 能够接收用户输入的命令,并对命令进行处理,处理完毕后再将结果反馈给用户,比如输出到显示器、写入到文件等,这就是大部分读者对 Shell 的认知。你看,我一直都在使用 Shell,哪有使用内核哦?我也没有看到 Shell 将我和内核连接起来呀?!

其实,Shell 程序本身的功能是很弱的,比如文件操作、输入输出、进程管理等都得依赖内核。我们运行一个命令,大部分情况下 Shell 都会去调用内核暴露出来的接口,这就是在使用内核,只是这个过程被 Shell 隐藏了起来,它自己在背后默默进行,我们看不到而已。

接口其实就是一个一个的函数,使用内核就是调用这些函数。这就是使用内核的全部内容了吗?嗯,是的!除了函数,你没有别的途径使用内核。

比如,我们都知道在 Shell 中输入cat log.txt命令就可以查看 log.txt 文件中的内容,然而,log.txt 放在磁盘的哪个位置?分成了几个数据块?在哪里开始?在哪里终止?如何操作探头读取它?这些底层细节 Shell 统统不知道的,它只能去调用内核提供的 open() 和 read() 函数,告诉内核我要读取 log.txt 文件,请帮助我,然后内核就乖乖地按照 Shell 的吩咐去读取文件了,并将读取到的文件内容交给 Shell,最后再由 Shell 呈现给用户(其实呈现到显示器上还得依赖内核)。整个过程中 Shell 就是一个“中间商”,它在用户和内核之间“倒卖”数据,只是用户不知道罢了。

Shell 还能连接其它程序

在 Shell 中输入的命令,有一部分是 Shell 本身自带的,这叫做内置命令;有一部分是其它的应用程序(一个程序就是一个命令),这叫做外部命令。

Shell 本身支持的命令并不多,功能也有限,但是 Shell 可以调用其他的程序,每个程序就是一个命令,这使得 Shell 命令的数量可以无限扩展,其结果就是 Shell 的功能非常强大,完全能够胜任 Linux 的日常管理工作,如文本或字符串检索、文件的查找或创建、大规模软件的自动部署、更改系统设置、监控服务器性能、发送报警邮件、抓取网页内容、压缩文件等。

更加惊讶的是,Shell 还可以让多个外部程序发生连接,在它们之间很方便地传递数据,也就是把一个程序的输出结果传递给另一个程序作为输入。

大家所说的 Shell 强大,并不是 Shell 本身功能丰富,而是它擅长使用和组织其他的程序。Shell 就是一个领导者,这正是 Shell 的魅力所在。

可以将 Shell 在整个 Linux 系统中的地位描述成下图所示的样子。注意“用户”和“其它应用程序”是通过虚线连接的,因为用户启动 Linux 后直接面对的是 Shell,通过 Shell 才能运行其它的应用程序。

Shell在整个Linux系统中的地位示意图

Shell 也支持编程

Shell 并不是简单的堆砌命令,我们还可以在 Shell 中编程,这和使用 C++C#JavaPython 等常见的编程语言并没有什么两样。

Shell 虽然没有 C++、Java、Python 等强大,但也支持了基本的编程元素,例如:
  • if...else 选择结构,case...in 开关语句,for、while、until 循环;
  • 变量、数组、字符串、注释、加减乘除、逻辑运算等概念;
  • 函数,包括用户自定义的函数和内置函数(例如 printf、export、eval 等)。

站在这个角度讲,Shell 也是一种编程语言,它的编译器(解释器)是 Shell 这个程序。我们平时所说的 Shell,有时候是指连接用户和内核的这个程序,有时候又是指 Shell 编程。

Shell 主要用来开发一些实用的、自动化的小工具,而不是用来开发具有复杂业务逻辑的中大型软件,例如检测计算机的硬件参数、搭建 Web 运行环境、日志分析等,Shell 都非常合适。

使用 Shell 的熟练程度反映了用户对 Linux 的掌握程度,运维工程师、网络管理员、程序员都应该学习 Shell。

尤其是 Linux 运维工程师,Shell 更是必不可少的,是必须掌握的技能,它使得我们能够自动化地管理服务器集群,否则你就得一个一个地登录所有的服务器,对每一台服务器都进行相同的设置,而这些服务器可能有成百上千之多,会浪费大量的时间在重复性的工作上。

Shell 是一种脚本语言

任何代码最终都要被“翻译”成二进制的形式才能在计算机中执行。

有的编程语言,如 C/C++、Pascal、Go语言、汇编等,必须在程序运行之前将所有代码都翻译成二进制形式,也就是生成可执行文件,用户拿到的是最终生成的可执行文件,看不到源码。

这个过程叫做编译(Compile),这样的编程语言叫做编译型语言,完成编译过程的软件叫做编译器(Compiler)

而有的编程语言,如 Shell、JavaScript、Python、PHP等,需要一边执行一边翻译,不会生成任何可执行文件,用户必须拿到源码才能运行程序。程序运行后会即时翻译,翻译完一部分执行一部分,不用等到所有代码都翻译完。

这个过程叫做解释,这样的编程语言叫做解释型语言或者脚本语言(Script),完成解释过程的软件叫做解释器

编译型语言的优点是执行速度快、对硬件要求低、保密性好,适合开发操作系统、大型应用程序、数据库等。

脚本语言的优点是使用灵活、部署容易、跨平台性好,非常适合 Web 开发以及小工具的制作。

Shell 就是一种脚本语言,我们编写完源码后不用编译,直接运行源码即可。

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