Bash Features 详解

概述

本文档涵盖 Bash 专有特性（Chapter 6: Bash Features），这些是 bash 相较于 POSIX sh 的扩展能力。

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1. 调用 Bash（Invoking Bash）

Shell 类型

类型	判断条件
登录 Shell	$0 首字符为 -，或使用 --login 选项启动
交互式 Shell	无非选项参数、无 -c，且 stdin/stderr 连接到终端；或使用 -i 启动

# 检测是否为交互式 shell
[[ $- == *i* ]] && echo "交互式" || echo "非交互式"

# 检测是否为登录 shell
shopt -q login_shell && echo "登录 shell" || echo "非登录 shell"

常用启动选项

选项	说明
--login / -l	以登录 shell 方式启动
--interactive / -i	强制交互式模式
--norc	不读取 ~/.bashrc
--noprofile	不读取任何 profile 文件
--rcfile file	用指定文件替代 ~/.bashrc
--posix	启用 POSIX 严格模式
-c string	执行 string 中的命令
-s	从 stdin 读取命令（可配合参数传递）
-r	启动受限 shell

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2. Bash 启动文件（Bash Startup Files）

启动文件加载顺序

交互式登录 Shell
    → /etc/profile
    → ~/.bash_profile  （找到即停止）
    → ~/.bash_login
    → ~/.profile
    → 退出时执行 ~/.bash_logout

交互式非登录 Shell
    → ~/.bashrc

非交互式 Shell（运行脚本）
    → 读取 $BASH_ENV 指向的文件（不使用 PATH 搜索）

以 sh 名称调用
    → /etc/profile + ~/.profile（登录模式）
    → $ENV 指向的文件（交互模式）

POSIX 模式（--posix）
    → $ENV 指向的文件（交互模式）

常见 ~/.bashrc 与 ~/.bash_profile 分工

# ~/.bash_profile：登录时执行一次
export PATH="$HOME/.local/bin:$PATH"
source ~/.bashrc          # 通常在此引入 .bashrc

# ~/.bashrc：每个交互式 shell 都执行
alias ll='ls -lah'
PS1='\u@\h:\w\$ '

特权模式下的行为

当有效 UID ≠ 真实 UID 且未提供 -p 时：

• 不读取任何启动文件
• 不继承环境中的函数
• 忽略 SHELLOPTS、BASHOPTS、CDPATH、GLOBIGNORE

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3. 交互式 Shell（Interactive Shells）

交互式 shell 的特有行为：

• 启动时读取 ~/.bashrc
• 默认开启任务控制（Job Control）
• 开启历史记录
• 开启别名展开（expand_aliases）
• $PS1 被设置，$- 包含 i
• 忽略 SIGTERM 信号
• SIGINT 被捕获但不退出（用于中断当前命令）
• 退出时若有停止的作业会提示

# 判断是否交互式
if [[ $- == *i* ]]; then
  echo "交互式 shell"
  bind '"\e[A":history-search-backward'
fi

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4. Bash 条件表达式（Bash Conditional Expressions）

用于 [[ 复合命令和 test/[ 内建命令。

文件测试

表达式	含义
-a file / -e file	文件存在
-f file	存在且为普通文件
-d file	存在且为目录
-b file	存在且为块设备
-c file	存在且为字符设备
-p file	存在且为命名管道（FIFO）
-S file	存在且为 socket
-L file / -h file	存在且为符号链接
-r file	存在且可读
-w file	存在且可写
-x file	存在且可执行
-s file	存在且大小 > 0
-g file	存在且设置了 set-group-id 位
-u file	存在且设置了 set-user-id 位
-k file	存在且设置了 sticky 位
-O file	存在且属于当前有效用户
-G file	存在且属于当前有效组
-N file	存在且上次访问后被修改过
-t fd	文件描述符 fd 已打开且指向终端
f1 -ef f2	f1 和 f2 指向同一设备和 inode
f1 -nt f2	f1 比 f2 新（修改时间），或 f1 存在 f2 不存在
f1 -ot f2	f1 比 f2 旧，或 f2 存在 f1 不存在

字符串测试

表达式	含义
-z string	字符串长度为 0
-n string / string	字符串长度非 0
s1 == s2 / s1 = s2	字符串相等（[[ 中支持模式匹配）
s1 != s2	字符串不等
s1 < s2	s1 按字典序排在 s2 前面
s1 > s2	s1 按字典序排在 s2 后面

变量测试

表达式	含义
-v varname	变量已设置（已赋值）
-R varname	变量已设置且是 nameref 引用

算术比较

表达式	含义
arg1 -eq arg2	等于
arg1 -ne arg2	不等于
arg1 -lt arg2	小于
arg1 -le arg2	小于等于
arg1 -gt arg2	大于
arg1 -ge arg2	大于等于

Shell 选项测试

-o optname    # shell 选项 optname 已开启

使用示例

# 文件测试
if [[ -f /etc/hosts && -r /etc/hosts ]]; then
  echo "可读"
fi

# 字符串模式匹配（[[ 专有）
filename="report_2026.pdf"
if [[ $filename == *.pdf ]]; then
  echo "是 PDF 文件"
fi

# 正则匹配（[[ 专有）
if [[ $filename =~ ^report_([0-9]{4})\.pdf$ ]]; then
  echo "年份: ${BASH_REMATCH[1]}"
fi

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5. Shell 算术（Shell Arithmetic）

bash 支持整数算术运算，使用 $((...)) 或 ((...)) 或 let。

运算符（按优先级从高到低）

运算符	说明
id++ id--	后置自增/自减
++id --id	前置自增/自减
- +	一元负/正
! ~	逻辑非 / 按位取反
**	幂运算
* / %	乘 / 除 / 取余
+ -	加 / 减
<< >>	左移 / 右移
<= >= < >	比较
== !=	等于 / 不等于
&	按位 AND
^	按位 XOR
|	按位 OR
&&	逻辑 AND
||	逻辑 OR
expr?expr:expr	三元运算符
= *= /= %= += -= <<= >>= &= ^= |=	赋值
expr1, expr2	逗号（顺序求值）

数字进制

echo $((10))      # 十进制：10
echo $((010))     # 八进制：8
echo $((0x1F))    # 十六进制：31
echo $((2#1010))  # 二进制：10
echo $((16#FF))   # 十六进制（显式基数）：255

使用示例

# 基本运算
a=10 b=3
echo $(( a + b ))    # 13
echo $(( a ** b ))   # 1000
echo $(( a % b ))    # 1

# 自增
((count++))
((i += 5))

# 三元运算
result=$(( a > b ? a : b ))   # 取较大值

# 位运算
flags=0
flags=$(( flags | 0x01 ))     # 设置位
flags=$(( flags & ~0x01 ))    # 清除位
echo $(( flags >> 2 ))        # 右移 2 位

# let 命令（等同 ((...))）
let "x = 5 * 3"
let x++

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6. 别名（Aliases）

别名允许用一个字符串替换命令行中的一个单词。

基本规则

• 别名名称不能包含 / $ ` = 及 shell 元字符
• 替换文本可以是任意合法 shell 输入
• 别名不能传递参数（需要参数时应用函数替代）
• 非交互式 shell 中默认不展开别名（除非开启 expand_aliases）
• 别名在读取命令时展开，而非执行时

# 创建别名
alias ll='ls -lah'
alias grep='grep --color=auto'
alias ..='cd ..'
alias ...='cd ../..'

# 别名末尾加空格：让下一个词也进行别名检查
alias sudo='sudo '

# 查看别名
alias ll           # 查看单个
alias              # 查看所有

# 删除别名
unalias ll

# 临时跳过别名（使用 \ 前缀或 command）
\ls                # 跳过 ls 别名
command ls         # 跳过 ls 别名

别名 vs 函数

# 别名：不能用参数
alias mkcd='mkdir -p'   # mkcd foo 可用，但 mkcd foo && cd foo 做不到

# 函数：可以用参数（推荐替代复杂别名）
mkcd() {
  mkdir -p "$1" && cd "$1"
}

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7. 数组（Arrays）

bash 支持索引数组和关联数组（字典），无大小限制。

索引数组

# 声明与赋值
declare -a arr
arr=(apple banana cherry)
arr[0]="apple"

# 负索引（从末尾计数）
echo ${arr[-1]}          # cherry（最后一个元素）

# 读取
echo ${arr[0]}           # apple
echo ${arr[@]}           # 所有元素（各自独立）
echo ${arr[*]}           # 所有元素（合并为一个字符串）
echo ${#arr[@]}          # 元素数量：3
echo ${!arr[@]}          # 所有索引：0 1 2

# 切片
echo ${arr[@]:1:2}       # 从索引 1 取 2 个：banana cherry

# 追加
arr+=(date elderberry)
arr[10]="fig"            # 稀疏数组，索引可不连续

# 删除
unset arr[1]             # 删除单个元素
unset arr                # 删除整个数组

# 遍历
for item in "${arr[@]}"; do
  echo "$item"
done

关联数组（字典）

# 必须用 declare -A 显式声明
declare -A user
user[name]="Alice"
user[age]=30
user[role]="admin"

# 另一种赋值方式
declare -A config=([host]="localhost" [port]="5432")

# 读取
echo ${user[name]}       # Alice
echo ${user[@]}          # 所有值
echo ${!user[@]}         # 所有键

# 检查键是否存在
[[ -v user[name] ]] && echo "键存在"

# 遍历
for key in "${!user[@]}"; do
  echo "$key: ${user[$key]}"
done

# 删除
unset user[age]          # 删除单个键
unset user               # 删除整个数组

常用数组操作

# 数组长度
echo ${#arr[@]}

# 数组拼接
combined=("${arr1[@]}" "${arr2[@]}")

# 数组作为函数参数（需借助全局变量或 nameref）
process() {
  local -n ref=$1        # nameref
  echo "${ref[@]}"
}
process arr

# readarray / mapfile 读取文件到数组
mapfile -t lines < /etc/hosts
readarray -t lines < /etc/hosts

# 用命令输出填充数组
files=( $(find . -name "*.sh") )
# 更安全的写法（处理含空格的文件名）
mapfile -t files < <(find . -name "*.sh")

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8. 目录栈（The Directory Stack）

bash 维护一个目录栈，支持快速在多个目录间切换。

命令	说明
pushd dir	切换到 dir 并将当前目录压栈
popd	弹出栈顶目录并切换回去
dirs	显示目录栈内容
dirs -v	带编号显示目录栈
pushd +N	旋转目录栈，切换到编号 N 的目录
popd +N	删除栈中编号 N 的目录

# 基本使用
cd /var/log
pushd /etc/nginx    # 栈：/etc/nginx /var/log
pushd /tmp          # 栈：/tmp /etc/nginx /var/log
dirs -v
# 0  /tmp
# 1  /etc/nginx
# 2  /var/log

popd                # 回到 /etc/nginx
popd                # 回到 /var/log

# $DIRSTACK 变量存储栈内容
echo "${DIRSTACK[@]}"

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9. 控制提示符（Controlling the Prompt）

bash 允许在 PS0、PS1、PS2、PS4 中使用转义序列。

提示符变量

变量	触发时机
$PS0	读取命令后、执行前显示
$PS1	主提示符，每次准备读取命令时显示
$PS2	续行提示符（命令未完成时）
$PS4	set -x 追踪时每行前缀
$PROMPT_COMMAND	每次显示 PS1 前执行的命令

PS1 转义序列

序列	含义
\u	当前用户名
\h	主机名（到第一个 .）
\H	完整主机名
\w	当前目录（$HOME 缩写为 ~）
\W	当前目录的基名
\d	日期（如 Tue Apr 27）
\t	时间 24 小时制（HH:MM:SS）
\T	时间 12 小时制
\@	时间 12 小时 am/pm 格式
\A	时间 24 小时制（HH:MM）
\D{fmt}	自定义时间格式（传给 strftime）
\n	换行
\s	shell 名称
\v	bash 版本
\V	bash 版本 + patch level
\!	历史编号
\#	命令编号
\$	UID 为 0 显示 #，否则显示 $
\nnn	八进制字符
\\	反斜杠
\[ \]	包裹不可打印字符（如终端颜色码）

示例

# 彩色提示符
PS1='\[\e[32m\]\u@\h\[\e[0m\]:\[\e[34m\]\w\[\e[0m\]\$ '

# 显示 git 分支
PS1='\u@\h:\w$(git branch 2>/dev/null | grep "^*" | sed "s/* / [/;s/$//]")\$ '

# 自定义 PS4（调试时显示文件和行号）
PS4='+[${BASH_SOURCE##*/}:${LINENO}:${FUNCNAME[0]:+${FUNCNAME[0]}()}] '

# PROMPT_COMMAND：每次提示前更新终端标题
PROMPT_COMMAND='echo -ne "\033]0;${USER}@${HOSTNAME}: ${PWD}\007"'

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10. 受限 Shell（The Restricted Shell）

用 rbash 或 bash -r 启动，用于构建更受控的执行环境。

受限 Shell 禁止的操作

• cd 切换目录
• 修改 SHELL、PATH、HISTFILE、ENV、BASH_ENV
• 命令名或文件名中包含 /
• 使用 > >| <> >& &> >> 重定向输出
• 使用 exec 替换当前进程
• 用 enable 启用/禁用内建命令
• 用 set +r 或 shopt -u restricted_shell 关闭受限模式

# 启动受限 shell
bash -r
# 或
rbash

# 为特定用户设置受限 shell
chsh -s /bin/rbash username

注意：启动文件读取完毕后才强制执行这些限制；执行 shell 脚本时，rbash 会在子 shell 中关闭受限模式。

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11. Bash 与 POSIX（Bash and POSIX）

开启 POSIX 模式

# 方式一：启动时
bash --posix

# 方式二：运行时
set -o posix

# 方式三：环境变量
POSIXLY_CORRECT=1 bash

POSIX 模式改变的行为（主要差异）

行为	bash 默认	POSIX 模式
特殊内建命令错误	shell 不退出	shell 退出
函数可覆盖特殊内建	可以	不可以
time 关键字	可单独使用	受限
alias 展开	交互式默认开	同左
$'...' 引用	支持	POSIX 不定义（bash 仍支持）

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12. Shell 兼容模式（Shell Compatibility Mode）

bash 4.0 引入，允许选择之前版本的行为，便于脚本迁移。

设置方式

# bash 5.0 及之前：shopt 选项
shopt -s compat42

# bash 4.3 及以后：推荐用变量
BASH_COMPAT=4.2

# bash 5.1 及以后：只能用变量
BASH_COMPAT=50

各兼容级别说明

级别	主要行为变化
compat31	[[ =~ 右侧引号不对正则有特殊效果
compat32	[[ 的 < > 用 ASCII 排序而非 locale
compat40	同 compat32 的排序行为
compat41	POSIX 模式下 time 后可跟选项；单引号在双引号参数展开中特殊处理
compat42	双引号模式替换中替换字符串不做 quote removal
compat43	单词展开错误为非致命错误；函数中 break/continue 影响调用方循环
compat44	BASH_ARGV/BASH_ARGC 在非 extdebug 下也可展开；子 shell 继承父循环状态
compat50	$RANDOM 用旧算法生成（bash 5.1 改进了随机性）
compat51	unset 处理 @/* 下标的旧行为；多种表达式可多次展开
compat52	test 用历史算法解析括号子表达式；bind -p/-P 处理参数的旧行为

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速查

# 检测 shell 类型
[[ $- == *i* ]]          # 是否交互式
shopt -q login_shell     # 是否登录 shell

# 数组操作
${arr[@]}                # 所有元素
${#arr[@]}               # 元素数量
${!arr[@]}               # 所有索引/键
${arr[@]:start:len}      # 切片

# 条件表达式
[[ -f file ]]            # 文件存在且为普通文件
[[ -v var ]]             # 变量已设置
[[ str =~ regex ]]       # 正则匹配
[[ str == pattern ]]     # glob 模式匹配

# 算术
$(( expr ))              # 算术展开
(( expr ))               # 算术命令
let "expr"               # let 命令

# 目录栈
pushd dir / popd / dirs -v

# 受限 shell
bash -r / rbash

# POSIX 模式
set -o posix / POSIXLY_CORRECT=1

# 兼容模式
BASH_COMPAT=5.0