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title: 'Shell 類型、命令差異、Builtin 命令'
disqus: kyleAlien
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Shell 類型、命令差異、Builtin 命令
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## Overview of Content

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* 如果喜歡讀更好看一點的網頁版本，可以到我新做的網站 [**DevTech Ascendancy Hub**](https://devtechascendancy.com/)

本篇文章對應的是 [**認識命令行：Shell 類型、命令差異 | Sub Shell 關係 | Builtin 命令**](https://devtechascendancy.com/command-line_shell-type_sub-shell_builtin/)
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[TOC]

## 進入命令行

在 Linux 四大組件的圖型化桌面出現之前，要與系統通訊的手段就只有 Shell 命令行 (`CLI`, `Command line interface`)，命令行大多是文本或是簡單的圖形

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* 如果喜歡讀更好看一點的網頁版本，可以到我新做的網站 [**DevTech Ascendancy Hub**](https://devtechascendancy.com/)

本篇文章對應的是 [**認識命令行：Shell 類型、命令差異 | Sub Shell 關係 | Builtin 命令**](https://devtechascendancy.com/command-line_shell-type_sub-shell_builtin/)
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### 控制台終端

* 進入控制台終端 CLI 的方式是一種讓 Linux 系統「**退出圖型化桌面**」模式，進入文本模式的模式（在 CLI 模式下只會有簡單的文本，沒有圖形介面）；這種模式也稱為 **控制台終端**

* Linux 發行版中，在系統啟動時就會啟動 5~6 個**虛擬控制台**

虛擬控制台終端是沒有 GUI(`out the GUI`) 的 CLI 終端（控制台終端）

:::info
* 那 **啞終端** 是什麼？

沒有 GUI 系統，只有簡單的通訊線、螢幕、鍵盤連接到 Unix 系統上，並與其通訊，透過下指令 ＆ 查看輸出結果來達到目的

> 所以控制台中端可以算是啞終端的一種形式
:::

* Linux 系統在啟動時會創建多個 Linux 控制台終端，之後就會自動幫我們切換到圖形化終端介面（GUI CLI）

    graph TB

    系統啟動 --> 控制台終端 --> 圖形化終端

    subgraph 控制台終端
    vc1(虛擬控制台 1)
    vc2(虛擬控制台 2)
    vc3(虛擬控制台 3)
    vc4(虛擬控制台 4)
    vc5(虛擬控制台 5)
    end

1. **通常要切換回控制台終端可以用以下快捷鍵**

> `Ctrl` + `Alt` + `F1~F7`(要試試看，在其中一個)
>
> 

:::success
* **`tty` 是啥**？

螢幕上見到的關鍵字 `tty` 代表的是 `teletypewriter` (電傳打字機) ，但不是每個 Linux 發行版上都會在登入介面上顯示虛擬控制台 tty 號

這 Unix 設備中看到的`tty/*`、`pts/*`、`tty` 都是終端設備，這種設備就是典型的 **非硬體設備，是透過記憶體模擬出來的設備**！

> 就是軟體模擬出來的假設備（假硬體）
:::

2. 在圖形界面終端也可以透過指令來，進入文字模式的控制台，指令如下

        ## sudo chvt <終端台>
        
        ## 開啟一號控制台終端
        sudo chvt 1  

### 控制台終端 getty & login

* `getty` 是一個 Linux 系統中的程序，它是一種用於終端的登錄程序。它通常在 Linux 系統啟動時被初始化，並負責為每個終端設備提供登錄界面

> "`getty`" 是 "`get tty`" 的縮寫，它接受用戶的用戶名和密碼，並驗證登錄憑據

* 它的主要作用是與終端設備進行通信，並提供用戶登錄的功能。一旦用戶成功登錄，`getty` 會將用戶的登錄會話交給 shell 進程處理

:::info
* `getty` 是為控制台終端（純終端）服務，還是為圖形化終端服務？

`getty` 是為控制台終端（純終端）服務，並**在控制台中呼叫 login 程式**，登入成功後才呼叫 Shell
:::

> 在 Linux 系統中，getty 通常與其他程序（如 init 或 systemd）一起使用，以提供完整的登錄和會話管理功能

### 圖形介面終端

* 透過 Linux 圖形化界面也可以進入終端；這種模式稱為 **終端仿真包**（模擬控制台終端）；終端仿真包只是 Linux 圖形化介面其中一個元素

圖形化終端由以下解個重點部分組成

| 圖形化角色 | 常見的產品 | 簡介 |
| - | - | - |
| 客戶端（GUI Client） | 圖形化終端仿真、桌面環境、遊覽器 | 請求圖型化服務的應用 |
| 顯示服務器（GUI Server） | Mir、Wayland Compositor、Xserver | 負責管理顯示、輸入設備（鍵盤滑鼠觸控... 等等） |
| 窗口管理器 | Compiz、Metacity、Kwin | 為每個窗口建立邊框、拖曳... 等等基本功能 |
| 部件 | Athenal(Xaw)、X Intrinsics | 客戶端添加菜單 ＆ 外部功能 |

:::info
* 圖形化終端仿真器：in the GUI 的 CLI 終端（圖形化終端）
:::

> Ubuntu 圖形化終端介面 （下圖黑色視窗）
>
> 

## Shell 類型

不同種類型的 Shell 會有不同特色（或是使用限制、規範）

在腳本中會宣告在最前面（`#!` 符號，又稱為 `shenang`），用來說明該腳本要使用哪個 Shell 解釋

#!/bin/bash

### 常見的 Shell 解釋器

* 透過 `/etc/passwd` 可以知道每一個用戶的 shell 類型，不同的用戶類型可能會使用不同的 Shell 解釋器（別的小節會說明），而常見的 Shell 解釋器就是 bash

當然，**除了 bash 之外，還有另外幾種常見的 bash**，如下表所示

| Shell 類型 | 特性 | 補充 |
| -------- | -------- | - |
| Bourne shell | Unix 版本的 Shell | - |
| bash shell | GNU 模仿 Bourne shell 的產品，這是最常見的 Shell (默認 Shell) | - |
| ash | 運行在內存受限的輕量級 Shell (與 bash shell 相容) | Debian 版本 |
| korn | 支持浮點數、高級編程特性 (與 Bourne shell 相容) | - |
| tcsh | 擁有 Ｃ 語言特性的 Shell | CentOS 使用，來源於最初的 C shell；CentOS 中是軟連結，連接 tcsh |
| zsh | 結合多個 Shell 特性（bash shell, korn, tcsh...） | - |

## 近一步認識 Shell

shell 的意思是命令行界面（也可以理解為 shell 是執行命令行的應用程式）

> Unix 系統中有很多重要的部份其實都是 shell 腳本

:::info
* Unix 中的 Shell 有為很多種，它們都是 **基於 Bourne shell (`/bin/sh`)**，這是貝爾實驗室開發的標準 Shell

* Linux 常用的則是 Bourne again shell，也就是 Bash shell
:::

### 你的帳戶使用哪個 Shell？

* 查看 `/etc/passwd` 文件，並找到自己的帳戶名稱，查看最後一個欄位，該欄位就是這個帳戶預設使用的 Shell

    tail /etc/passwd

> 

### 查看 Bash 指令：man 手冊 / info / help

* `man` 指令用來查看 Linux 系統上的手冊，其格式如下

    ## 格式 man <command>

    ## 查看 man 這個指令的操作手冊
    man man

> 按下 `q` 就會退出說明手冊
>
> 

:::info
man 手冊的 `DESCRIPTION` 部份是很好的介紹，使用新指令時最好讀一下
:::

* **man 指令常用 options**

| options | 說明 |
| - | - |
| -k | 使用關鍵字找尋對應指令 |

        ## 查看 hostname 相關指令

        man -k hostname

> 

可以看到列出的列表中，後面有一個括號，中間對應的數字代表了這個命令在 man 手冊中的哪個位置（區）；**不同數字可以概述該指令的是屬於哪個部份的功能**，區對應的號碼、功能如下表所示

| 區域號 | 說明 |
| - | - |
| 1 | 可執行程式 or shell |
| 2 | 系統調用 |
| 3 | Library 調用 |
| 4 | 特殊文件 |
| 5 | 文件格式與約定 |
| 6 | 遊戲 |
| 7 | 概覽、約定與雜項 |
| 8 | 超級用戶、系統管理員命令 |
| 9 | 內核歷程 |

        ## 進入區號 5 的說明

        man 5 hostname

> 

* 其他兩個 `info`, `help` 指令也可以拿來查看指令的操作

    ## info <指令>
    info hostname

    ## <指令> --help
    hostname --help

:::info
* 並非每一個命令都會有 `man`、`info`、`help` 功能，需要查詢的時候可以都試試看
:::

### 認識指令錯誤訊息

* 當指令出錯時，Shell 會回覆一個「**錯誤訊息**」，而這個些錯訊息也保含了重要資訊；以下是一個標準錯誤訊息

    # 錯誤訊息
    
    ls: cannot access /qq123: No such file or directory

> 錯誤訊息以 `:` 符號個別分開，說明如下表所示

| 錯誤訊息 | 說明 | 說明 |
| -------- | -------- | -------- |
| `ls` | 錯誤命令 | ls 這個指令執行時發生錯誤 |
| `cannot access /qq123` | 檔案路徑 | 無法訪問 `/qq123` 這個檔案 |
| `No such file or directory` | 具體錯誤訊息 | 沒有這個檔案或是資料夾 |

:::warning
* **「警告訊息」、「錯誤訊息」一樣嗎**？

「警告訊息」、「錯誤訊息」是兩種不同的訊息；出現警告訊息程式仍可運作（只是提示你哪裡出現問題），但出現錯誤訊息時指令就會停止
:::

* 其中常見的**具體錯誤訊息**如下表

| 錯誤訊息 | 說明 | 補充 |
| -------- | -------- | -------- |
| `No such file or directory` | 存取不存在的檔案或目錄 | Unix I/O 系統對檔案、目錄不做區分 |
| `File exists` | 創建檔案或目錄，但已有相同名稱的存在 | - |
| `Not a directory, Is a directory` | 錯把目錄當成檔案來存取操作 | - |
| `No space left on device` | 硬碟空間不存 | - |
| `Permission denied` | 權限錯誤 | - |
| `Operation not permitted` | 當我們試圖中止一個無權中止的程序時 | - |
| `Segmentation fault, Bus error` | 程式嘗試存取無權存取的記憶體空間時，系統會中止該操作 | `Segmentation fault` 程式異常、**`Bus error` 代表存取記憶體有問題** |

### Shell 標準輸入輸出

* Unix 程序使用 I/O 資料流來讀寫資料，輸入流可以是從檔案、設備、終端... 等等來源，而 輸出流也可以將數據輸出到檔案、設備、終端... 等目的

* **標準輸入（`Standard input`）**：

可以透過 cat 命令來測試，輸入 cat 命令後（並不指定讀取檔案），它就會讀取使用者的資料數據輸入，這樣 cat 命令就變成了標準輸入

> 

* **標準輸出（`Standard output`）**：

核心會為每個應用程序提供一個標準輸出流，讓他們輸出資料（並不一定會輸出到螢幕上，也可以輸出到裝置、文件）

## 命令的差異：內、外命令

內建、外部命令的操作方式不同，可以透過 `type` 判斷命令是內部還是外部的

### builtin 內建命令：直接啟動

* 內建命令 **++不需要++ 啟動子進程就可以運行內建命令**，我們同樣可以使用 `type` 命令去判斷指定的命令是否是內建命令（內建命令會顯示 `builtin`）

    type cd 

    type exit

> 

:::info
* 命令可能會重複（內部、外部使用同一個命令），這時就可以使用 `type -a <命令>`

        ## 查看所有的 echo 命令

        type -a echo

> 如果需要指定某個命令，那就需要寫出那個命令的具體位置；(eg. `/bin/pwd`)
>
> 

:::

### 外部命令：另外啟動

* 外部命令在執行時會 **產生一個「新的子進程」去運行外部命令**，這個行為稱為 **`forking`**，透過複製當前進程來執行新命令

    ## 當前進程啟動另一個子進程
    ## 子進程運行 `ps -f

    ps -f

從下圖中，我們可以看到執行 `ps -f` 命令後 PID 為 `171809`，與本來 Bash 的 PID 不同（原來 Bash 的 PID 為 `169156`）

    graph LR

    b1(Bash 169156) --> |複製進程| forking --> b2(Bash 171809) --> |執行命令| ps(ps -f)

    ps -.-> |進程結束| b1

> 

* 外部命令也被稱為 **文件系統命令**（存於 bash shell 之外的命令），**外部命令通常放至於 `bin`、`/usr/bin`、`sbin`、`/usr/sbin` 資料夾中**

**外部令令可以透過 `which`（外部命令）、`type`（內部命令）命令** 找到對應位置

    which ps 

    type ps

> 

## 多 shell 關係

在使用 Shell 時會有父子概念（也可以想成階層概念），不同的階層會有可以相互訪問、資料是否可共享的特性，對於學習 Shell 時也是相當重要的概念

### 啟動子 shell：Sub shell

* 你可以透過一個已經啟動的 shell，在內部在啟動另外一個 shell，這個啟動的 shell 就是父子關係，概念圖如下

    graph TB

    subgraph 父Shell
    子Shell
    end

> 父子 shell 的 PID 就不同 (可以透過 `ps` 命令查看)

    ## 啟動新 shell（子）
    shell

    ## 查看當前用戶啟動的進程
    ps -f

> 

上圖的父子 Shell 關係如下 (進程 ID 是 `PID`，其父進程 ID 就是 `PPID`)

> 

:::info
* 可以透過 `ps --forest` 命令看到簡單的父子關係「**圖形、階層輸出**」；`--forest` 選項並非每個 Shell 都有，可以透過 `man ps` 查看

> 
:::

### 進程列表：create sub shell

* 進程列表是一種 **命令分組（`command grouping`）**，透過將命令 **使用括號 `()` 包裹來達到讓括號內的命令運行在另一個子進程 (sub process)**

1. **一般下達命令**：一行中下達多個命令，預設每個外部指令都會 fork 啟動，但 **不會啟動一個 sub shell 運行**

一般下達命令範例如下

        ## 在一行中下達多個命令，**命令之間使用 `;` 區分**

        ps -f ; ls ; pwd ; ps -f

下圖中，對應到上面要執行的指令，這些指令會 forking PID `14002` shell

        graph LR

        Shell

        命令 --> |forking| Shell

> 

2. **進程列表下達命令**：使用括號 `()` 啟動 sub shell，運行括號內的命令

進程列表下達命令令範例如下

        (ps -f ; ls ; pwd ; ps -f)

下圖中，對應到範例括號內的命令，會 forking PID `14066` sub shell，也就是說指令 forking 的來源是 sub shell，而不是原來的 Shell

        graph LR

        subgraph 父Shell
        子Shell
        end

        命令 --> |forking| 子Shell

> 

:::warning
* 另一種命令分組是使用花括號 `{}` + `;` 配合使用，但這種方式就 **不會** 啟動一個 sub shell (子 Shell)，格式如下

        { command; }

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### 操控 Shell 前後景執行：jobs 使用

* **啟動背景命令**

| 命令 | 功能 |
| - | - |
| fg [%n] | 切換 Shell 到前景；n 是任務編號 |
| bg [%n] | 切換 Shell 到背景（`ctrl` + `z` 是掛起、休眠，兩者功能不同）；n 是任務編號 |
| jobs | 查看所有背景任務 |

1. **啟動 Shell 背景命令**：一般 Shell 切換到背景，只需要在命令的後面 **加 `&` 號** 即可

        sleep 10 &

        ps -f

> 切換到背景後會返回一串數字，那些數字就是切換到背景運作的 Shell 的 PID
>
> 

2. **查看背景 Shell**：使用 `jobs` 命令就可以查看到任務編號，之後可以透過這個編號讓指定任務運行在前景或是背景

        jobs 

        ## 列出 PID
        jobs -l

> 

3. **切換前後景**：切換 sleep 任務到背景，再切換到前景

        sleep 100

        ## 接著按 `ctrl` + `Z` 掛起

        ## 切換到背景運行
        bg %1

        ## 查任所有任務
        jobs

        ## 切換到前景運行
        fg %1

> 

### 判斷 SubShell

* Ubuntu 中可以 **使用 `BASH_SUBSHELL` 關鍵字 (變量)** 來判端當前 Shell 是否是子Shell（Sub Shell）

1. 無 subshell 的狀況下會回應 0，代表頂層 Shell

        echo $BASH_SUBSHELL

> 

2. **透過進程列表創建 sub shell**

        ($echo BASH_SUBSHELL ; sleep 100 ; )&

如下圖，我們看到使用進程列表（小擴號 `()` 符號）並打印 `BASH_SUBSHELL` 變量，就可以看到當前的 Sub shell 階層

> 

### 創建 SubShell：協程 coproc

* 除了使用進程列表之外，也可以 **透過 `coproc` 命令將接下來要下達的命令切換到 sub shell**

    coproc sleep 100

    ps 

    ps -l

> 

* `coproc` 命令的另一個特點在於，**可以對 sub shell 設定指定名稱**，這可以讓你的 Shell 更有可讀性；格式如下

> coproc <名稱> { [指令] ; }

範例如下：以下啟動一個名為 `MyJob` 的協程，在使用 `jobs` 命令查看

    corproc MyJob { sleep 100 ; }

    jobs -l

> 如下圖，我們可以看到 Sub shell 的名稱確實顯示 `MyJob`
>
> 

## Builtin Shell 應用

### 歷史命令 History

* `history` 可以查看下達 Shell 命令的歷史

    history | tail

> 

| history 額外命令 | 說明 |
| - | - |
| `!!` | 執行上一個命令 |
| `!<命令編號>` | 執行指定歷史命令 |
| `history -a` | 對 `.bash_history` 寫入命令（命令不會立刻被寫入，所以必須透過 `-a` 命令去強至寫入） |

:::info
* `.bash_history` 會儲存用戶輸入的所有命令

        cat .bash_history | tail

> 

:::

### 命令別名 alias

* 有時候命令太常會不方便記憶，這時我們就可以使用 `alias` 來對命令簡化（別名）

> 格式：<別名>=<原命令>

    ## 取別名
    lll='ls -laF'
    
    ## 下達命令
    lll

:::warning
別名的功能只存在於當前 Shell 中，令起一個 Shell 就無法使用已經設定好的別名
:::

> 

* 可以透過 `alias -p` 查看所有可使用的別名

    alias -p

> 

## Appendix & FAQ

:::info
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###### tags: `Linux Shell`