Bash Shell 脚本/Shell 算术

Bash 中的算术表达式紧密模仿 C 中的表达式，因此它们与其他源自 C 的语言（如 C++、Java、Perl、JavaScript、C# 和 PHP）中的表达式非常相似。一个主要区别是 Bash 仅支持整数算术（整数），不支持浮点数算术（小数和分数）；类似于 3 + 4 的东西意味着您所期望的（7），但类似于 3.4 + 4.5 的东西是语法错误。类似于 13 / 5 的东西是可以的，但执行整数除法，因此计算结果为 2 而不是 2.6。

算术扩展

也许使用算术表达式的最常见方式是在 *算术扩展* 中，其中算术表达式的结果用作命令的参数。算术扩展用 $(( … )) 表示。例如，此命令

echo $(( 3 + 4 * (5 - 1) ))

打印 19。

expr (已弃用)

使用算术表达式的另一种方法是使用 Unix 程序 "expr"，它在 Bash 支持数学之前很流行。^[1] 与算术扩展类似，此命令

echo `expr 3 + 4 \* \( 5 - 1 \)`

打印 19。请注意，使用 "expr" 要求在乘法运算符 "*" 和括号之前使用转义字符 "\"。进一步注意每个运算符符号之间的空格，包括括号。

数值运算符

除了熟悉的表示法 +（加法）和 -（减法）之外，算术表达式还支持 *（乘法）、/（整数除法，如上所述）、%（模除，"余数"运算；例如，11 除以 5 是 2 余 1，所以 11 % 5 是 1）、以及 **（"幂运算"，即乘方；例如，2⁴ = 16，所以 2 ** 4 是 16）。

运算符 + 和 - 除了它们在 "二元"（两个操作数）意义上的 "加法" 和 "减法" 之外，还有在 "一元"（一个操作数）意义上的 "正" 和 "负"。一元 + 基本上没有任何效果；一元 - 反转其操作数的符号。例如，-(3*4) 计算结果为 -12，-(-(3*4)) 计算结果为 12。

引用变量

在算术表达式中，可以直接引用 shell 变量，无需使用变量扩展（即无需使用美元符号 $）。例如，这个

i=2+3
echo $(( 7 * i ))

打印 35。（请注意，首先计算 i，产生 5，然后它乘以 7。如果我们写的是 $i 而不是 i，则只会执行简单的字符串替换；7 * 2+3 等于 14 + 3，即 17——可能不是我们想要的。）

之前使用 "expr" 展示的示例

i=`expr 2 + 3`
echo `expr 7 \* $i`

打印 35。

赋值给变量

Shell 变量也可以在算术表达式中赋值。此表示法类似于常规变量赋值，但 *要*灵活得多。例如，前面的示例可以像这样改写

echo $(( 7 * (i = 2 + 3) ))

除了设置 $i 为 5 而不是 2+3。请注意，虽然算术扩展看起来有点像命令替换，但它 *不* 在子 shell 中执行；此命令实际上将 $i 设置为 5，以后的命令可以使用新值。（算术表达式内的括号只是括号的正常数学用法，用于控制运算顺序。）

除了简单的赋值运算符 = 之外，Bash 还支持复合运算符，例如 +=、-=、*=、/= 和 %=，它们执行一个运算，然后进行赋值。例如，(( i *= 2 + 3 )) 等效于 (( i = i * (2 + 3) ))。在每种情况下，整个表达式的计算结果都是变量的新值；例如，如果 $i 为 4，则 (( j = i *= 3 )) 将 $i 和 $j 都设置为 12。

最后，Bash 支持增量和减量运算符。增量运算符 ++ 将变量的值增加 1；如果它 *位于* 变量名称 *之前*（作为 "前增量" 运算符），则表达式的计算结果为变量的 *新* 值，如果它 *位于* 变量名称 *之后*（作为 "后增量" 运算符），则表达式的计算结果为变量的 *旧* 值。例如，如果 $i 为 4，则 (( j = ++i )) 将 $i 和 $j 都设置为 5，而 (( j = i++ )) 将 $i 设置为 5，将 $j 设置为 4。减量运算符 -- 完全相同，只是它将变量的值减少 1。前减量和后减量与前增量和后增量完全类似。

算术表达式作为它们自己的命令

一个命令可以完全由一个算术表达式组成，使用以下语法之一

(( i = 2 + 3 ))

let 'i = 2 + 3'

这两个命令中的任何一个都会将 $i 设置为 5。两种命令风格的命令都会返回一个退出状态为零（"成功" 或 "真"）的值，如果表达式计算结果为非零值，则返回退出状态为 1（"失败" 或 "假"），如果表达式计算结果为零，则返回退出状态为 1。例如，这个

(( 0 )) || echo zero
(( 1 )) && echo non-zero

将打印这个

zero
non-zero

这种反直觉行为的原因是，在 C 中，零表示 "假"，非零值（尤其是 1）表示 "真"。Bash 在算术表达式中保持该遗留值，然后在最后将其转换为通常的 Bash 约定。

逗号运算符

算术表达式可以包含用逗号 , 分隔的多个子表达式。最后一个子表达式的结果成为整个表达式的总体值。例如，这个

echo $(( i = 2 , j = 2 + i , i * j ))

将 $i 设置为 2，将 $j 设置为 4，并打印 8。

let 内置命令实际上直接支持多个表达式，而无需逗号；因此，以下三个命令是等效的

(( i = 2 , j = 2 + i , i * j ))

let 'i = 2 , j = 2 + i , i * j'

let 'i = 2' 'j = 2 + i' 'i * j'

比较、布尔值和条件运算符

算术表达式支持整数比较运算符 <、>、<=（表示 ≤）、>=（表示 ≥）、==（表示 =）和 !=（表示 ≠）。每个表达式对 "真" 计算结果为 1，对 "假" 计算结果为 0。

它们还支持布尔运算符 &&（“与”），如果其任一操作数为零，则计算结果为 0，否则为 1；||（“或”），如果其任一操作数非零，则计算结果为 1，否则为 0；以及 !（“非”），如果其操作数为零，则计算结果为 1，否则为 0。除了使用零表示“假”和非零值表示“真”之外，这些运算符与我们在算术表达式之外看到的 &&、|| 和 ! 运算符完全相同。与这些运算符一样，这些运算符也是“短路”运算符，如果其第一个参数足以确定结果，则不会计算其第二个参数。例如，(( ( i = 0 ) && ( j = 2 ) )) 不会计算 ( j = 2 ) 部分，因此不会将 $j 设置为 2，因为 && 的左侧操作数为零（“假”）。

它们还支持条件运算符 b ? e1 : e2。如果 b 非零，则此运算符计算 e1 并返回其结果；否则，它计算 e2 并返回其结果。

这些运算符可以以复杂的方式组合

(( i = ( ( a > b && c < d + e || f == g + h ) ? j : k ) ))

算术 for 循环

上面，我们看到了一个 for 循环的样式，它看起来像这样

# print all integers 1 through 20:
for i in {1..20} ; do
  echo $i
done

Bash 还支持另一种样式，它模仿 C 和相关语言中的 for 循环，使用 shell 算术

# print all integers 1 through 20:
for (( i = 1 ; i <= 20 ; ++i )) ; do
  echo $i
done

此 for 循环使用三个独立的算术表达式，用分号 ; 分隔（而不是逗号 , - 这些是完全独立的表达式，而不仅仅是子表达式）。第一个是初始化表达式，在循环开始之前运行。第二个是测试表达式；它在每次潜在的循环迭代之前（包括第一次）进行计算，如果它计算结果为零（“假”），则循环退出。第三个是计数表达式；它在每次循环迭代结束时进行计算。换句话说，这个 for 循环与这个 while 循环完全等效

# print all integers 1 through 20:
(( i = 1 ))
while (( i <= 20 )) ; do
  echo $i
  (( ++i ))
done

但是，一旦你习惯了语法，它就能更清楚地说明正在发生的事情。

按位运算符

除了常规的算术和布尔运算符之外，Bash 还提供“按位”运算符，这意味着对整数进行操作的运算符，而不是作为整数，而是作为位字符串。如果你还不熟悉这个概念，可以安全地忽略它们。

就像在 C 中一样，按位运算符是 &（按位“与”）、|（按位“或”）、^（按位“异或”）、~（按位“非”）、<<（按位左移）和 >>（按位右移），以及 &= 和 |= 和 ^=（它们包含赋值，就像 += 一样）。

整数字面量

整数常量表示为整数字面量。我们已经看到了很多这样的字面量；例如，34 是一个整数字面量，表示数字 34。我们所有的示例都是十进制（十进制）整数字面量，这是默认值；但实际上，字面量可以用 2-64 范围内的任何进制表示，使用表示法 base#value（其中进制本身用十进制表示）。例如，这个

echo $(( 12 ))        # use the default of base ten (decimal)
echo $(( 10#12 ))     # explicitly specify base ten (decimal)
echo $(( 2#1100 ))    # base two (binary)
echo $(( 8#14 ))      # base eight (octal)
echo $(( 16#C ))      # base sixteen (hexadecimal)
echo $(( 8 + 2#100 )) # eight in base ten (decimal), plus four in base two (binary)

将打印 12 六次。（请注意，此表示法仅影响整数字面量的解释方式。无论如何，算术扩展的结果仍然用十进制表示。）

对于 11 到 36 进制，英文字母 A 到 Z 用于表示 10 到 35 的数字值。它不区分大小写。但是，对于 37 到 64 进制，使用小写英文字母表示 10 到 35 的数字值，使用大写字母表示 36 到 61 的数字值，使用符号 @ 表示 62 的数字值，使用下划线 _ 表示 63 的数字值。例如，64#@A3 表示 256259 (62 × 64² + 36 × 64 + 3).

还有两种特殊表示法：在字面量前加上 0 表示八进制（八进制），在字面量前加上 0x 或 0X 表示十六进制（十六进制）。例如，030 等效于 8#30，0x6F 等效于 16#6F。

整数变量

一个变量可以声明为整数变量 - 也就是说，它的“整数属性”可以“设置” - 使用这种语法

declare -i n

运行上述命令后，对 n 的任何后续赋值将自动导致右侧被解释为算术表达式。例如，这个

declare -i n
n='2 + 3 > 4'

或多或少等效于这个

n=$((2 + 3 > 4))

除了第一个版本的 declare -i n 将继续影响以后的赋值。

在第一个版本中，请注意赋值右侧的引号。如果我们写了 n=2 + 3 > 4，它将意味着“使用参数 3 运行命令 +，将环境变量 n 设置为 2 传入，并将标准输出重定向到文件 4 中”；也就是说，设置变量的整数属性不会影响赋值语句的整体解析，而只是控制最终分配给变量的值的解释。

我们可以使用相反的命令“取消设置”变量的整数属性，关闭此行为

declare +i n

declare 内置命令还有许多其他用途：变量可以具有一些其他属性，declare 除了打开和关闭属性之外，还具有其他一些功能。此外，它的几个属性值得注意

• 与 local 和 export 一样，参数可以是变量赋值；例如，declare -i n=2+3 设置 $n 的整数属性并将其设置为 5。
• 与 local 和 export 一样，可以一次指定多个变量（和/或赋值）；例如，declare -i m n 设置 $m 的整数属性和 $n 的整数属性。
• 当在函数内部使用时，declare 隐式地将变量本地化（除非变量已经是本地的），这也具有在本地取消设置它的效果（除非使用赋值语法）。

非整数算术

如上所述，Bash shell 算术只支持整数算术。但是，外部程序通常可以用来为非整数值获得类似的功能。特别是，常见的 Unix 实用程序 bc 通常用于此目的。以下命令

echo "$(echo '3.4 + 2.2' | bc)"

打印 5.6。不用说，由于 bc 与 Bash 的集成不像 shell 算术那样紧密，因此它不像 shell 算术那样方便；例如，像这样的东西

# print the powers of two, from 1 to 512:
for (( i = 1 ; i < 1000 ; i *= 2 )) ; do
  echo $i
done

为了支持非整数，将变成类似这样的东西

# print the powers of one-half, from 1 to 1/512:
i=1
while [ $( echo "$i > 0.001" | bc ) = 1 ] ; do
  echo $i
  i=$( echo "scale = scale($i) + 1 ; $i / 2" | bc )
done

部分原因是我们不能再使用算术 for 循环；部分原因是因为引用变量和为变量赋值现在更难了（因为 bc 不了解 shell 的变量，只了解它自己无关的变量）；部分原因是 bc 只通过输入和输出与 shell 通信。