Linux Shell進化簡史

導讀：M.Tim Jones 是 developerWorks 全球網站的一位多產撰稿人，他的文章涉及的主題非常廣泛而有深度。Tim 爲了讓大家全面瞭解 Linux，推出了一系列內核剖析方面的文章，深受大家的欣賞；隨着 Linux 在虛擬化技術方面的日臻成熟，Tim 及時爲我們帶來了相關內容的介紹。在本文中，他爲我們帶來了Linux Shell的進化史。以下爲全文

計算機上的大多數日常工作任務，通過鼠標點擊即可完成，但要想真正發揮Linux本身的威力，還需要Shell和命令行。Shell就如同編輯器一樣，你可以根據個人愛好選擇。雖然不同的Shell可以提供不同的功能，但是它們的核心開發思想都是一致的。

現在讓我們來追尋Shell的發展足跡，並探討幾個現在流行的Shell。

Shell的歷史

Shell也稱命令行解釋器，有着悠久的歷史，我們從第一個UNIX Shell說起。

V6 Shell

1971年，貝爾實驗室的Ken Thompson爲UNIX開發了第一個Shell——V6 Shell。類似於它在Multics上的前身，V6 Shell（/bin/sh）是一個在內核之外執行的獨立的用戶程序。

諸如通配符（模式匹配參數擴展，如*.txt）之類的概念在獨立的glob實用程序中實現，如同if命令評估條件表達式一樣。這種實現保證了Shell的短小精悍，它只有不到900行的C源代碼。

V6 Shell引入了一系列簡潔的語法，用於重定向（< >和>>）和管道（|或^），並一直沿用至今。你也會發現，它提供了對順序調用命令（;）和異步命令（&）的支持。

Thompson Shell（即V6 Shell）的缺陷在於腳本編程能力的不足，它只是一個交互性的命令解釋器。

Bourne Shell

1977年，Stephen Bourne在貝爾實驗室爲V7 UNIX開發了Bourne Shell，並一直沿用至今。很多情況下，它甚至是默認的Shell。Bourne Shell是用C語言開發的，但相比其他Shell，其語法更類似於算法語言（ALGOL）。

Bourne Shell的設計有兩個目標：作爲命令行解釋器交互執行操作系統命令和腳本編程。

爲了取代Thompson Shell，Bourne Shell有着巨大的優勢：

1.在腳本中引入了控制流、循環和變量，提供了更強大的語言與操作系統交互

2.允許使用腳本作爲篩選器，爲處理信號提供集成支持，但缺乏自定義函數機制

3.納入了一系列今天我們仍在使用的功能，包括命令替換、here-document等

Bourne Shell在前進的道路上邁出了至關重要的一步，同時也成了其他派生Shell的基石。Bourne Shell的出現推動了Korn shell （ksh）、Almquist Shell（ash）和流行的Bourne Again Shell（Bash）的開發，在Bourne Shell發佈之際，C Shell也已在開發之中。下圖顯示了Shell之間的血緣關係。

圖一：Shell之間的傳承

Shell的基礎架構

Linux Shell的基礎架構並不複雜，如下圖所示。

圖二：Linux Shell基礎架構示意圖

Linux Shell的架構看起來非常類似於一條管道，對輸入進行語法解析、符號擴展，最後執行。

探索Linux Shell

接下來，讓我們來探討幾個Shell，看看它們爲Linux Shell的發展做出了哪些貢獻。

C Shell

1978年，Bill Joy還在加州大學伯克利分校讀書的時候，就爲BSD UNIX（Berkeley Software Distribution UNIX）開發了C Shell。

五年之後，C Shell引入了Tenex系統中的一些功能，如命令行編輯功能和文件名和命令自動補全功能。Tenex C shell（tcsh）保持了對csh的向後兼容，並且提升了整體的交互性，它是Ken Greer在卡內基-梅隆大學開發出來的。

C Shell的一個主要設計目標就是創建一種語法類似於C語言的腳本語言，因爲C語言在當時非常流行，而且UNIX是用C來開發的。

Bill Joy在C Shell中引入的另一個重要特性是命令歷史記錄。此功能可以保留之前執行的命令的歷史記錄，並允許用戶查看並選擇執行之前的命令。

例如，鍵入history命令可以查看之前執行的命令，使用上下箭頭鍵可以選擇一個命令，使用!!可以執行前一個命令。引用前一個命令的參數也是可以的，比如，!*可以引用前一個命令的所有參數，!$可以引用前一個命令的最後一個參數。

請參看下面的一個Tcsh腳本示例，這個腳本使用了一個參數（目錄名稱），統計該目錄下所有可執行文件的數目。

代碼1：在tcsh中統計可執行文件的數目

#!/bin/tcsh
# find all executables

set count=0

# Test arguments
if ($#argv != 1) then
echo "Usage is $0 <dir>"
  exit 1
endif

# Ensure argument is a directory
if (! -d  $1) then
  echo "$1 is not a directory."
  exit 1
endif

# Iterate the directory, emit executable files
foreach filename ($1/*)
  if (-x $filename) then
    echo $filename
    @ count = $count + 1
  endif
end

echo
echo "$count executable files found."

exit 0

Korn Shell

Korn Shell是由David Korn設計的，差不多跟Tenex C Shell同時發佈。除了向後兼容Bourne Shell，Korn Shell最引人矚目的特性就是支持腳本編程。

Korn Shell原來是專有軟件，直到2000年，它才（遵照通用公共許可協議）作爲開源軟件發佈。除了對Bourne提供很好的兼容性，Korn Shell還包含了一些來自其他Shell的功能，如csh的歷史記錄功能。它還提供了一些更先進的功能，這些功能可以在諸如Ruby和Python之類的現代腳本語言中找到——例如，關聯數組和浮點運算。

Korn Shell在許多操作系統上都是可用的，這些系統包括IBM AIX and HP-UX。Korn Shell努力支持Portable Operating System Interface for UNIX（POSIX）Shell語言的標準。

我們來看一下在Korn Shell中統計可執行文件數目腳本的例子：

代碼2：在Korn Shell中統計可執行文件的數目

#!/usr/bin/ksh
# find all executables

count=0

# Test arguments
if [ $# -ne 1 ] ; then
  echo "Usage is $0 <dir>"
  exit 1
fi

# Ensure argument is a directory
if [ ! -d  "$1" ] ; then
  echo "$1 is not a directory."
  exit 1
fi

# Iterate the directory, emit executable files
for filename in "$1"/*
do
  if [ -x "$filename" ] ; then
    echo $filename
    count=$((count+1))
  fi
done

echo
echo "$count executable files found."

exit 0

Bourne-Again Shell

Bourne-Again Shell，即bash，是一個開源的GNU項目，旨在替換Bourne Shell。Bourne-Again Shell由Brian Fox開發，現在已經成爲最流行的Shell之一，被廣泛應用在Linux、Darwin、Windows和Cygwin之上。

除了支持腳本的向後兼容性，bash還吸收了Korn Shell和C Shell的一些特性。例如，命令歷史記錄，命令行編輯，目錄堆棧，很多實用的環境變量，命令行自動完成，等等。

Bash繼續發展了一些新的特性，如支持正則表達式和關聯數組。

雖然一些特性是bash獨有的，但我們仍然可以編寫與其他腳本語言相兼容的腳本。下面是在bash中統計可執行文件數目的腳本示例。

代碼3：在Bourne-Again Shell中統計可執行文件的數目

#!/bin/bash
# find all executables

count=0

# Test arguments
if [ $# -ne 1 ] ; then
  echo "Usage is $0 <dir>"
  exit 1
fi

# Ensure argument is a directory
if [ ! -d  "$1" ] ; then
  echo "$1 is not a directory."
  exit 1
fi

# Iterate the directory, emit executable files
for filename in "$1"/*
do
  if [ -x "$filename" ] ; then
    echo $filename
    count=$((count+1))
  fi
done

echo
echo "$count executable files found."

exit 0

這些Shell之間的一個關鍵區別是它們使用了不同的授權。Bash是一個GNU項目，遵循GPL授權，而C Shell則遵循了BSD許可，Korn Shell則遵循了通用公共許可證。

早期Shell的許多理念和接口在35年之後依然保持不變，這對其作者是一個巨大的肯定。任何一個行業都在不斷重塑自我，Shell也在發生着歷史的變遷。儘管許多新的Shell被開發出來，但Bourne Shell及其後繼者依然是現在的首選。（張志平/譯）

關於作者

M.Tim Jones

M. Tim Jones 是一名嵌入式軟件工程師，他是 Artificial Intelligence: A Systems Approach, GNU/Linux Application Programming（現在已經是第 2 版）、AI Application Programming（第 2 版）和 BSD Sockets Programming from a Multilanguage Perspective 等書的作者。他的工程背景非常廣泛，從同步宇宙飛船的內核開發到嵌入式系統架構設計，再到網絡協議的開發。Tim 是位於科羅拉多州 Longmont 的 Emulex Corp. 的一名顧問工程師。