第 2 章 Shell 与命令行¶
排障、脚本、构建、服务临时调试都要落到 Shell。日常写 30 行小脚本与"能跑就行"的差别，集中体现在三处：引号与 word splitting 处理不对、脚本没设 set -euo pipefail、systemd / cron 环境里依赖交互 shell 的副作用。本章把 Bash 语法基线、脚本工程习惯、文本三件套（grep / sed / awk）、find / xargs、以及非交互 shell 的坑逐一拆开，末尾给出"命令效率工具"的最小集。ROS 2 工作区脚本、udev 调试脚本、.service 里的 ExecStart 命令串，都会踩在这几条基线上。
1. Bash 语法基线¶
1.1 变量、引号与 word splitting¶
Bash 的变量展开后，默认会经历一次 word splitting（按 $IFS 切分）与 glob 展开（*?[] 匹配文件名）。这是绝大多数"变量传进去怎么不对"的根源。
msg="hello world"
echo $msg # 未加引号：word splitting 生效，输出 hello world（三个空格合成一个）
echo "$msg" # 加双引号：原样保留，输出 hello world
echo '$msg' # 单引号：不展开，字面 $msg
规则：
- 变量默认加双引号。
"$var"保住空格与换行；${var:-default}给未设变量兜底。 - 单引号关展开，只在写正则或字面量时用。
- 数组展开要显式：
"${arr[@]}"保留每个元素为独立词，${arr[*]}会拼成一个。 - glob 要防"没有匹配"：
shopt -s nullglob让不匹配的 glob 展开为空数组，避免脚本被字面*.log绊倒。
echo $file 传一个含空格的路径给 rm，会误删两个文件——这是最贵的一个空格。写脚本永远 "$file"。
1.2 退出码、管道与短路¶
Bash 用退出码（exit status，0 成功 / 非 0 失败）传递结果，不靠 stdout。每个命令跑完，$? 是它的退出码：
grep -q "error" /var/log/syslog
if [ $? -eq 0 ]; then echo "有 error"; fi
## 更简洁的等价：
grep -q "error" /var/log/syslog && echo "有 error"
A && B：A 成功才跑 B（短路）。A || B：A 失败才跑 B。- 管道
A | B：只把 stdout 传给 B 的 stdin；默认$?是最后一个命令的退出码，中间命令失败会被吞掉——这是脚本沉默失败的头号成因。要拿到全链结果需set -o pipefail。
1.3 重定向与文件描述符¶
三个默认文件描述符：0 = stdin、1 = stdout、2 = stderr。
cmd > out.txt 2>&1 # stdout 覆盖到文件，stderr 并入 stdout（POSIX 顺序敏感）
cmd &> out.txt # Bash 4+ 的简写，等价上一行
cmd >> out.txt # 追加而非覆盖
cmd 2> err.txt # 只重定向 stderr
cmd > /dev/null 2>&1 # 丢弃全部输出（cron 里常见）
顺序陷阱先讲：cmd 2>&1 > out.txt 错——2>&1 先把 stderr 指向 stdout 当时的目标（终端），随后 > out.txt 只把 stdout 移到文件，stderr 依旧回终端。正确写法永远把 2>&1 放最后。
变量展开到 argv 的加工顺序，以及引号在哪一步跳过加工：
flowchart LR
var["$var 展开"] --> split["word splitting<br/>按 IFS 切分"]
split --> glob["glob 展开<br/>* ? [] 匹配文件名"]
glob --> argv["argv 传给命令"]
quote["双引号包住变量"] -.->|"跳过切分与 glob"| argv坑：不加引号的变量先被切分再传参
$var 展开后会先做 word splitting 与 glob，再进 argv；"$var" 才是一个完整参数。变量里带空格的路径，是脚本事故最常见的起点。
2. 脚本工程习惯¶
2.1 set -euo pipefail¶
三行开头是分享型脚本的最低门槛：
##!/usr/bin/env bash
set -euo pipefail
## -e：命令失败即退出（受 && || 短路和 if 条件豁免）
## -u：引用未设变量当错误退出，防 ${FOO} 静默变空串
## -o pipefail：管道任一命令失败即整链失败
三行加起来的收益："脚本静默跑到最后一步炸了、前面 20 步的错全被吞掉" 这类问题几乎绝迹。调试期临时想放宽用 set +e 局部关闭、跑完 set -e 恢复。双基线：Ubuntu 22.04 默认 bash 5.1、24.04 升到 5.2——set -u 与 pipefail 行为保持一致，24.04 下 ${var@Q} 与部分数组展开行为更严；写脚本以 5.1 行为基线，遇新特性单独注明。
2.2 [[ ]] 与 [ ]¶
Bash 提供两种条件表达式：POSIX [ ]（test 内建）与 Bash 关键字 [[ ]]。新脚本一律用 [[ ]]：
| 特性 | [ ] |
[[ ]] |
|---|---|---|
| 词分割与 glob | 会（要引号） | 不会 |
| 字符串比较 | == 部分实现、= 通用 |
== 支持 glob 与正则 |
| 逻辑组合 | -a -o（易踩优先级坑） |
&& \|\| |
| 正则匹配 | 无 | =~ |
| 空变量 | 需要额外加引号防语法错 | 直接可 |
[[ "$name" =~ ^[a-z0-9_]+$ ]] && echo "合法标识符"
[[ -f "$path" && -r "$path" ]] && cat "$path"
只在必须给 dash / sh 复用的 shebang 才回退 [ ]。Ubuntu /bin/sh 是 dash，[[ ]] 会报语法错。
2.3 函数与局部变量¶
## 用 local 声明函数内变量，防止污染全局
resolve_device() {
local vendor="$1" product="$2"
local line
line=$(lsusb | grep -i "$vendor $product" || true) # || true 让 set -e 不炸
[ -n "$line" ] || return 1
awk '{print $4}' <<< "$line" # 提取 /dev/ttyVIDL 字段
}
三点习惯：
- 函数入参用
$1 $2局部化，不直接读外层$@。 - 返回值走退出码（
return N），不走 stdout；stdout 留给"取数据"的调用者$(func)。 local声明紧贴使用，跨多行时开头集中local a b c；无local的赋值会泄漏到调用者。
3. 文本三件套¶
3.1 grep：找存在与抽行¶
grep -n "error" log.txt # 显示行号
grep -r "TODO" src/ # 递归目录
grep -E "warn|error" log.txt # 扩展正则（等价 egrep）
grep -F "192.168.1.10:1234" ... # 固定串匹配，跳过正则解析，快且不歧义
grep -v "^#" conf # 反向：忽略以 # 开头的行
grep -A2 -B1 "panic" dmesg.txt # 上下文：After 2 行、Before 1 行
GNU 与 BSD 正则方言不通用：\d 是 PCRE，GNU ERE 要写 [0-9] 或加 -P 用 PCRE。写脚本尽量落在 ERE 或字面 -F，跨发行版可迁移。
3.2 sed：行级替换与流式打印¶
sed 面向"每行做一次替换、别的信息别丢"。三个高频用法：
sed -n 's/foo/BAR/p' file # 只打印替换成功的行（-n 抑制默认输出）
sed -i.bak 's/\r$//' file # 原地改并留 .bak；去掉 Windows CRLF
sed -i 's/[[:space:]]*$//' conf # 去行尾空白；[:space:] 比 \s 更可移植
-i 在不同实现下语法不同（GNU -i、BSD 必须 -i ''）——脚本要在 CI 跨平台跑，就 sed 's/.../.../' file > tmp && mv tmp file。
3.3 awk：按字段处理与聚合¶
awk 是"每行按空白切字段 + 一个嵌入式小语言"：
## 输出 ps aux 里内存占比 > 5% 的进程名与占比
ps aux | awk '$4 > 5 {print $11, $4}'
## 统计 ros2 topic list 里每类话题的前缀计数
ros2 topic list | awk -F/ '{c[$2]++} END {for (k in c) print k, c[k]}'
字段号 $1 起始、$0 是整行；NF 字段数、NR 行号；-F 指定分隔符。写复杂逻辑用 Python 更清晰，awk 承担"三行以内、按字段处理"的活。
4. find、xargs 与进程替换¶
4.1 find：按名字、时间、类型挑文件¶
## 当前目录及子目录下所有 .py，最近 7 天改过
find . -type f -name "*.py" -mtime -7
## 权限 644 之外的文件
find /etc -type f ! -perm 644
## 找到即执行（-exec ... + 批量传参，接近 xargs）
find /var/log -name "*.gz" -mtime +30 -exec rm -f {} +
-name glob 匹配、-iname 忽略大小写、-regex 走 EMACS 正则；-print0 与 xargs -0 配套处理含空格文件名。
4.2 xargs：把 stdin 变成参数¶
## 安全形式：处理含空格、换行的文件名
find . -name "*.log" -print0 | xargs -0 rm -f
## 并行
nproc=$(getconf _NPROCESSORS_ONLN)
find . -name "*.jpg" -print0 | xargs -0 -P "$nproc" -n1 convert -resize 50%
不用 xargs 的坑：find ... | xargs rm 遇到含空格的路径会拆错。永远 -print0 | xargs -0。
4.3 进程替换与 here-string¶
diff <(sort a.txt) <(sort b.txt) # 把两个命令的输出当文件传给 diff
while IFS= read -r line; do
echo "处理：$line"
done < <(ros2 topic list) # 关键：< <(...) 保证循环在 shell 进程内，变量可读
grep "root" /etc/passwd <<< "$input" # 把字符串当 stdin 喂给命令
5. 结构化格式：YAML、JSON、XML 与 jq / yq¶
grep / sed / awk 处理的是"行与字段"，而机器人开发里的配置与交换数据是层级结构——承载它们的是 YAML / JSON / XML 三种数据序列化格式（data serialization format）：它们是格式不是编程语言，没有控制流，职责是同一件事——把层级数据表示成文本，再由解析器读回成结构。开发者需要的是两样：读懂它的文法，以及用对解析工具。
三者的分工与差异（机器人开发语境）：
| 层级表达 | 注释 | 典型场景 | |
|---|---|---|---|
| YAML | 缩进即层级 | # |
参数文件、netplan（第 6 章）、CI 配置——人手工编辑的配置首选 |
| JSON | {} [] 显式嵌套 |
不支持 | 工具输出、API 响应、compile_commands.json——机器间传递首选 |
| XML | 标签 + 属性 | <!-- --> |
URDF / MJCF / package.xml——结构复杂的描述（连杆树适合属性+嵌套） |
语法与解析行为的四类高频坑（前四条属 YAML 1.1 规范范畴的 PyYAML 行为，不同解析器不完全一致）：
- YAML 缩进禁 tab——
a:下用 tab 缩进的b: 1解析即报ScannerError；三件套与编辑器层面的expandtab（第 3 章）都是在防这一条。 - 键名与特殊字符必须加引号：含
:的值会被当作键值分隔。 - 类型推断会"吞"字面值：
1:30被解析为整数90（YAML 1.1 的六十进制遗风）、on/yes/NO被解析为布尔、2026-11-05被解析为日期——配置里要保留字面量时加引号。 - JSON 严格子集直觉不可靠：key 未加引号、尾逗号、
//注释三种写法均被标准解析器拒绝（标准库json模块即拒绝，各 Python 版本一致）。 - 工具链侧：
jq查询与改写 JSON（.field | select(...)管道语法），XML 侧xmllint --xpath抽取。yq 存在两支语法不兼容的实现——mikefarah/yq（Go，自成一套eval管道语法）与 kislyuk/yq（Python，包名yq，把 YAML 转成 JSON 后原样交给 jq 过滤器），引用命令前须写明所用实现。Ubuntu 22.04 仓库：jq1.6、xmllint（apt 包libxml2-utils，2.9.13）在仓库且在默认安装里，yq不在 apt 仓库——kislyuk 支走pip install yq（依赖 jq 二进制），mikefarah 支走 snap 渠道（snap info yq的 latest/stable 为 v4.49.2）。24.04 侧按 packages.ubuntu.com 页（取用 2026-11）：jq升到 1.7.1；kislyuk 支进了 universe 仓库，包名就叫yq（3.1.0-3，依赖 jq）；mikefarah 支的 apt 包名为yq-go，在 22.04 / 24.04 两个 LTS 均不可用，只进非 LTS 系列（该页 tenacious 4.53.3）——LTS 上取 mikefarah 支仍走 snap。
一条工程原则：结构化格式的查询与转换走"解析 → 结构 → 再序列化"，不用 sed / awk 对 YAML / XML 做行级正则改写——「sed：行级替换与流式打印」的替换不理解层级，缩进与转义一改就坏。命令行最小样：
## ROS 2 参数文件（velodyne_driver 的 VLS128-…-params.yaml）抽一个字段：
jq 支——先解析成 JSON 再过滤（系统自带 python3-yaml + apt jq，输出 600）：
python3 -c "import yaml,json,sys; json.dump(yaml.safe_load(open('VLS128-velodyne_driver_node-params.yaml')), sys.stdout)" \
| jq '.velodyne_driver_node.ros__parameters.rpm'
kislyuk/yq 支——同一 jq 过滤器直接吃 YAML（pip 安装，输出 600）：
yq '.velodyne_driver_node.ros__parameters.rpm' VLS128-velodyne_driver_node-params.yaml
xmllint——对 xacro 取 robot 根元素的 name 属性（realsense2_description，输出 sensor_d405）：
xmllint --xpath 'string(/robot/@name)' _d405.urdf.xacro
Python 侧把这些结构读进程序的写法（json / yaml / xml.etree）在第 3 章开发环境一节交代；ROS 2 参数文件的 /**: ros__parameters 层级归 ROS2-note 第 3 章。
6. 非交互 shell 与环境变量的坑¶
cron 与 systemd 的 ExecStart 都跑在非交互、非登录的 shell 环境里，与桌面终端行为差着一层——这是"我在终端能跑、写成服务就起不来"的第一号成因。
6.1 谁 source 了 .bashrc¶
| 启动方式 | login | interactive | 读哪些 |
|---|---|---|---|
| 桌面终端（GNOME Terminal） | 否 | 是 | ~/.bashrc |
ssh host / su - |
是 | 是 | ~/.profile → ~/.bashrc |
bash script.sh |
否 | 否 | 什么都不读，只继承环境 |
cron |
否 | 否 | 什么都不读；PATH 极简 |
systemd ExecStart |
否 | 否 | 什么都不读；PATH 来自 /etc/environment + 单元内 Environment= |
规则：把只在交互 shell 需要的东西放 ~/.bashrc（补全、别名、PS1），把服务与环境无关需要看到的 PATH 与环境变量放：
- 全局：
/etc/environment（NAME=VALUE，不解析变量、不执行脚本） - 单服务：
EnvironmentFile=/etc/<svc>.env与Environment=PATH=/opt/ros/humble/bin:/usr/bin:/bin
6.2 cron 与 systemd 单元的 PATH / Environment¶
cron 一行内写定 PATH 最稳（不加时，cron 用调用者环境的 PATH，跨用户与系统差异大）：
## crontab -e
PATH=/usr/local/sbin:/usr/local/bin:/usr/sbin:/usr/bin:/sbin:/bin
0 3 * * * /home/user/backup.sh >> /var/log/backup.log 2>&1
systemd 单元同理，环境变量与工作目录一律写进 [Service]，不指望 shell 继承：
## /etc/systemd/system/my-node.service
[Service]
Environment="ROS_DOMAIN_ID=42"
EnvironmentFile=-/etc/default/my-node # 前缀 - 表示文件不存在也不报错
ExecStart=/usr/bin/bash -c 'source /opt/ros/humble/setup.bash && exec ros2 run demo talker'
WorkingDirectory=/home/user/robot
ExecStart 里的 exec 把 shell 直接替换为目标进程，只留一个 PID，systemd 信号能直达（呼应第 4 章 TimeoutStopSec）；bash -lc 会多读一份 /etc/profile 拉长启动，日常服务不建议开。单元完整语义与依赖链在第 4 章「systemd 单元模型」展开。
坑：cron 与 systemd 里没有交互 shell
两者都不读 .bashrc，PATH 与 Environment= 必须显式给出；在单元里 source ~/.bashrc 也无效——Ubuntu 的 .bashrc 开头就在非交互 shell 里 return。
7. 命令效率工具与会话保持¶
装不装随个人偏好，但机器人上位机的日常运维确实靠这几样提速：
- tmux：在 SSH 断线时保住会话是刚需——远程起一个
tmux new -s main，所有长跑任务放里面；网络抖了重连tmux attach -t main即恢复。systemd 环境下 tmux 需要显式设TERM=screen-256color。 - ripgrep（
rg）：默认递归 + 忽略.gitignore+ 多线程，比grep -r快一个数量级；输出对高亮更友好。 - fd：
find的现代化替代，语法短、默认忽略隐藏与.gitignore。 - fzf：模糊选择器；与
Ctrl-R（历史搜索）、Ctrl-T（文件选择）、Alt-C（目录跳转）绑定后几乎改变键盘习惯。 - bat：带语法高亮与 git gutter 的
cat；小文件翻页更顺手。 - eza：
ls的现代替代，支持 git 状态列与树状输出。 - zsh：作为交互式 shell 补全与主题更强，脚本兼容性上 Bash 更保守——脚本一律
#!/usr/bin/env bash、不依赖 zsh 特性。zsh 仅作为配置项对照。
包名与命令名在 Ubuntu 上并不一一对应：fd 在 22.04 主仓库叫 fd-find、装的命令是 fdfind；bat 装的命令是 batcat（与 bacula-console-qt 冲突）；eza 自 24.04 起进主仓库，22.04 用前身 exa（已归档）。脚本里写成完整包名与命令名，跨版本迁移时才不会找不到。
8. 要点¶
- 加引号是第一原则：
"$var"与"${arr[@]}"；未加引号的展开会走 word splitting 与 glob，脚本事故的高频起点。 - 脚本起手三行
set -euo pipefail；$?只看最后一个命令，管道加pipefail才能全链检查。 [[ ]]优先于[ ]；只在必须给 dash 复用时回退 POSIX 语法；跨平台避免 sed-i与 GNU 正则方言。- find / xargs 永远走
-print0 | xargs -0，处理含空格文件名；-exec ... +是同类替代。 - YAML / JSON / XML 是格式不是语言：选型按"人编辑用 YAML、机器传递用 JSON、复杂描述用 XML"；YAML 的 tab 缩进、类型推断（
1:30、on/off）与 JSON 的严格语法是高频坑；结构化文本的查询走 jq / yq / xmllint 的解析链，不用 sed 改层级。 - cron 与 systemd 都是非交互 shell：不 source
.bashrc；PATH 与环境变量走/etc/environment、EnvironmentFile=或单元Environment=。 - 长跑任务放 tmux，SSH 断线不丢会话；命令效率工具（rg / fd / fzf / bat / eza）按需引入，脚本主线仍是 Bash + POSIX 工具。