Shell是怎么連接用戶和內(nèi)核的

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　　現(xiàn)在我們使用的操作系統(tǒng)(Windows、Mac OS、Android、iOS 等)都是帶圖形界面的，簡(jiǎn)單直觀，容易上手，對(duì)專業(yè)用戶(程序員、網(wǎng)管等)和普通用戶(家庭主婦、老年人等)都非常適用;計(jì)算機(jī)的普及離不開圖形界面。

　　然而在計(jì)算機(jī)的早期并沒有圖形界面，我們只能通過一個(gè)一個(gè)地命令來控制計(jì)算機(jī)，這些命令有成百上千之多，且不說記住這些命令非常困難，每天面對(duì)沒有任何色彩的“黑屏”本身就是一件枯燥的事情;這個(gè)時(shí)候的計(jì)算機(jī)還遠(yuǎn)遠(yuǎn)談不上炫酷和普及，只有專業(yè)人員才能使用。

　　對(duì)于圖形界面，用戶點(diǎn)擊某個(gè)圖標(biāo)就能啟動(dòng)某個(gè)程序;對(duì)于命令行，用戶輸入某個(gè)程序的名字(可以看做一個(gè)命令)就能啟動(dòng)某個(gè)程序。這兩者的基本過程都是類似的，都需要查找程序在硬盤上的安裝位置，然后將它們加載到內(nèi)存運(yùn)行。

　　換句話說，圖形界面和命令行要達(dá)到的目的是一樣的，都是讓用戶控制計(jì)算機(jī)。

　　然而，真正能夠控制計(jì)算機(jī)硬件(CPU、內(nèi)存、顯示器等)的只有操作系統(tǒng)內(nèi)核(Kernel)，圖形界面和命令行只是架設(shè)在用戶和內(nèi)核之間的一座橋梁。

　　由于安全、復(fù)雜、繁瑣等原因，用戶不能直接接觸內(nèi)核(也沒有必要)，需要另外再開發(fā)一個(gè)程序，讓用戶直接使用這個(gè)程序;該程序的作用就是接收用戶的操作(點(diǎn)擊圖標(biāo)、輸入命令)，并進(jìn)行簡(jiǎn)單的處理，然后再傳遞給內(nèi)核，這樣用戶就能間接地使用操作系統(tǒng)內(nèi)核了。你看，在用戶和內(nèi)核之間增加一層“代理”，既能簡(jiǎn)化用戶的操作，又能保障內(nèi)核的安全，何樂不為呢?

　　用戶界面和命令行就是這個(gè)另外開發(fā)的程序，就是這層“代理”。在Linux下，這個(gè)命令行程序叫做 Shell。

　　Shell 是一個(gè)應(yīng)用程序，它連接了用戶和 Linux 內(nèi)核，讓用戶能夠更加高效、安全、低成本地使用 Linux 內(nèi)核，這就是 Shell 的本質(zhì)。

　　Shell 本身并不是內(nèi)核的一部分，它只是站在內(nèi)核的基礎(chǔ)上編寫的一個(gè)應(yīng)用程序，它和 QQ、迅雷、Firefox 等其它軟件沒有什么區(qū)別。然而 Shell 也有著它的特殊性，就是開機(jī)立馬啟動(dòng)，并呈現(xiàn)在用戶面前;用戶通過 Shell 來使用 Linux，不啟動(dòng) Shell 的話，用戶就沒辦法使用 Linux。

　　Shell 是如何連接用戶和內(nèi)核的?

　　Shell 能夠接收用戶輸入的命令，并對(duì)命令進(jìn)行處理，處理完畢后再將結(jié)果反饋給用戶，比如輸出到顯示器、寫入到文件等，這就是大部分讀者對(duì) Shell 的認(rèn)知。你看，我一直都在使用 Shell，哪有使用內(nèi)核哦?我也沒有看到 Shell 將我和內(nèi)核連接起來呀?!

　　其實(shí)，Shell 程序本身的功能是很弱的，比如文件操作、輸入輸出、進(jìn)程管理等都得依賴內(nèi)核。我們運(yùn)行一個(gè)命令，大部分情況下 Shell 都會(huì)去調(diào)用內(nèi)核暴露出來的接口，這就是在使用內(nèi)核，只是這個(gè)過程被 Shell 隱藏了起來，它自己在背后默默進(jìn)行，我們看不到而已。

　　接口其實(shí)就是一個(gè)一個(gè)的函數(shù)，使用內(nèi)核就是調(diào)用這些函數(shù)。這就是使用內(nèi)核的全部?jī)?nèi)容了嗎?嗯，是的!除了函數(shù)，你沒有別的途徑使用內(nèi)核。

　　比如，我們都知道在 Shell 中輸入cat log.txt命令就可以查看 log.txt 文件中的內(nèi)容，然而，log.txt 放在磁盤的哪個(gè)位置?分成了幾個(gè)數(shù)據(jù)塊?在哪里開始?在哪里終止?如何操作探頭讀取它?這些底層細(xì)節(jié) Shell 統(tǒng)統(tǒng)不知道的，它只能去調(diào)用內(nèi)核提供的 open() 和 read() 函數(shù)，告訴內(nèi)核我要讀取 log.txt 文件，請(qǐng)幫助我，然后內(nèi)核就乖乖地按照 Shell 的吩咐去讀取文件了，并將讀取到的文件內(nèi)容交給 Shell，最后再由 Shell 呈現(xiàn)給用戶(其實(shí)呈現(xiàn)到顯示器上還得依賴內(nèi)核)。整個(gè)過程中 Shell 就是一個(gè)“中間商”，它在用戶和內(nèi)核之間“倒賣”數(shù)據(jù)，只是用戶不知道罷了。

　　Shell 還能連接其它程序

　　在 Shell 中輸入的命令，有一部分是 Shell 本身自帶的，這叫做內(nèi)置命令;有一部分是其它的應(yīng)用程序(一個(gè)程序就是一個(gè)命令)，這叫做外部命令。

　　Shell 本身支持的命令并不多，功能也有限，但是 Shell 可以調(diào)用其他的程序，每個(gè)程序就是一個(gè)命令，這使得 Shell 命令的數(shù)量可以無限擴(kuò)展，其結(jié)果就是 Shell 的功能非常強(qiáng)大，完全能夠勝任 Linux 的日常管理工作，如文本或字符串檢索、文件的查找或創(chuàng)建、大規(guī)模軟件的自動(dòng)部署、更改系統(tǒng)設(shè)置、監(jiān)控服務(wù)器性能、發(fā)送報(bào)警郵件、抓取網(wǎng)頁內(nèi)容、壓縮文件等。

　　更加驚訝的是，Shell 還可以讓多個(gè)外部程序發(fā)生連接，在它們之間很方便地傳遞數(shù)據(jù)，也就是把一個(gè)程序的輸出結(jié)果傳遞給另一個(gè)程序作為輸入。

　　大家所說的 Shell 強(qiáng)大，并不是 Shell 本身功能豐富，而是它擅長(zhǎng)使用和組織其他的程序。Shell 就是一個(gè)領(lǐng)導(dǎo)者，這正是 Shell 的魅力所在。

　　可以將 Shell 在整個(gè) Linux 系統(tǒng)中的地位描述成下圖所示的樣子。注意“用戶”和“其它應(yīng)用程序”是通過虛線連接的，因?yàn)橛脩魡?dòng) Linux 后直接面對(duì)的是 Shell，通過 Shell 才能運(yùn)行其它的應(yīng)用程序。

　　Shell 也支持編程

　　Shell 并不是簡(jiǎn)單的堆砌命令，我們還可以在 Shell 中編程，這和使用 C++、C#、Java、Python 等常見的編程語言并沒有什么兩樣。

　　Shell 雖然沒有 C++、Java、Python 等強(qiáng)大，但也支持了基本的編程元素，例如：

　　if...else 選擇結(jié)構(gòu)，case...in 開關(guān)語句，for、while、until 循環(huán);

　　變量、數(shù)組、字符串、注釋、加減乘除、邏輯運(yùn)算等概念;

　　函數(shù)，包括用戶自定義的函數(shù)和內(nèi)置函數(shù)(例如 printf、export、eval 等)。

　　站在這個(gè)角度講，Shell 也是一種編程語言，它的編譯器(解釋器)是 Shell 這個(gè)程序。我們平時(shí)所說的 Shell，有時(shí)候是指連接用戶和內(nèi)核的這個(gè)程序，有時(shí)候又是指 Shell 編程。

　　Shell 主要用來開發(fā)一些實(shí)用的、自動(dòng)化的小工具，而不是用來開發(fā)具有復(fù)雜業(yè)務(wù)邏輯的中大型軟件，例如檢測(cè)計(jì)算機(jī)的硬件參數(shù)、搭建 Web 運(yùn)行環(huán)境、日志分析等，Shell 都非常合適。

　　使用 Shell 的熟練程度反映了用戶對(duì) Linux 的掌握程度，運(yùn)維工程師、網(wǎng)絡(luò)管理員、程序員都應(yīng)該學(xué)習(xí) Shell。

　　尤其是 Linux 運(yùn)維工程師，Shell 更是必不可少的，是必須掌握的技能，它使得我們能夠自動(dòng)化地管理服務(wù)器集群，否則你就得一個(gè)一個(gè)地登錄所有的服務(wù)器，對(duì)每一臺(tái)服務(wù)器都進(jìn)行相同的設(shè)置，而這些服務(wù)器可能有成百上千之多，會(huì)浪費(fèi)大量的時(shí)間在重復(fù)性的工作上。

　　Shell 是一種腳本語言

　　任何代碼最終都要被“翻譯”成二進(jìn)制的形式才能在計(jì)算機(jī)中執(zhí)行。

　　有的編程語言，如 C/C++、Pascal、Go語言、匯編等，必須在程序運(yùn)行之前將所有代碼都翻譯成二進(jìn)制形式，也就是生成可執(zhí)行文件，用戶拿到的是最終生成的可執(zhí)行文件，看不到源碼。

　　這個(gè)過程叫做編譯(Compile)，這樣的編程語言叫做編譯型語言，完成編譯過程的軟件叫做編譯器(Compiler)。

　　而有的編程語言，如 Shell、JavaScript、Python、PHP等，需要一邊執(zhí)行一邊翻譯，不會(huì)生成任何可執(zhí)行文件，用戶必須拿到源碼才能運(yùn)行程序。程序運(yùn)行后會(huì)即時(shí)翻譯，翻譯完一部分執(zhí)行一部分，不用等到所有代碼都翻譯完。

　　這個(gè)過程叫做解釋，這樣的編程語言叫做解釋型語言或者腳本語言(Script)，完成解釋過程的軟件叫做解釋器。

　　編譯型語言的優(yōu)點(diǎn)是執(zhí)行速度快、對(duì)硬件要求低、保密性好，適合開發(fā)操作系統(tǒng)、大型應(yīng)用程序、數(shù)據(jù)庫等。

　　腳本語言的優(yōu)點(diǎn)是使用靈活、部署容易、跨平臺(tái)性好，非常適合 Web 開發(fā)以及小工具的制作。

　　Shell 就是一種腳本語言，我們編寫完源碼后不用編譯，直接運(yùn)行源碼即可。

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