计算机教育中缺失的一课：The shell¶
大学里的计算机课程通常专注于讲授从操作系统到机器学习这些学院派的课程或主题，而对于如何精通工具这一主题则往往会留给学生自行探索。在这个系列课程中，我们讲授命令行、强大的文本编辑器的使用、使用版本控制系统提供的多种特性等等。学生在他们受教育阶段就会和这些工具朝夕相处（在他们的职业生涯中更是这样）。
因此，花时间打磨使用这些工具的能力并能够最终熟练地、流畅地使用它们是非常有必要的。
精通这些工具不仅可以帮助您更快的使用工具完成任务，并且可以帮助您解决在之前看来似乎无比复杂的问题。
shell 是什么？¶
如今的计算机有着多种多样的交互接口让我们可以进行指令的的输入，从炫酷的图像用户界面（GUI），语音输入甚至是 AR/VR 都已经无处不在。
这些交互接口可以覆盖 80% 的使用场景，但是它们也从根本上限制了您的操作方式——你不能点击一个不存在的按钮或者是用语音输入一个还没有被录入的指令。
为了充分利用计算机的能力，我们不得不回到最根本的方式，使用文字接口：Shell。
几乎所有您能够接触到的平台都支持某种形式的 shell，有些甚至还提供了多种 shell 供您选择。虽然它们之间有些细节上的差异，但是其核心功能都是一样的：它允许你执行程序，输入并获取某种半结构化的输出。
本节课我们会使用 Bourne Again SHell, 简称 "bash" 。
这是被最广泛使用的一种 shell，它的语法和其他的 shell 都是类似的。打开 shell 提示符（您输入指令的地方），您首先需要打开 终端。您的设备通常都已经内置了终端，或者您也可以安装一个，非常简单。
使用 shell¶
当您打开终端时，您会看到一个提示符，它看起来一般是这个样子的：
这是 shell 最主要的文本接口。它告诉你，你的主机名是 missing 并且您当前的工作目录（"current working directory"）或者说您当前所在的位置是 ~ （表示 "home")。 $ 符号表示您现在的身份不是 root 用户（稍后会介绍，如果现在的身份是 root 用户，则会用 # 作为命令提示符）。在这个提示符中，您可以输入 命令，命令最终会被 shell 解析。最简单的命令是执行一个程序：
这里，我们执行了 date 这个程序，不出意料地，它打印出了当前的日期和时间。然后，shell 等待我们输入其他命令。我们可以在执行命令的同时向程序传递 参数：
上例中，我们让 shell 执行 echo ，同时指定参数 hello。echo 程序将该参数打印出来。
shell 基于空格分割命令并进行解析，然后执行第一个单词代表的程序，并将后续的单词作为程序可以访问的参数。如果您希望传递的参数中包含空格（例如一个名为 My Photos 的文件夹），您要么用使用单引号，双引号将其包裹起来，要么使用转义符号 \ 进行处理（My\ Photos）。
但是，shell 是如何知道去哪里寻找 date 或 echo 的呢？其实，类似于 Python 或 Ruby，shell 是一个编程环境，所以它具备变量、条件、循环和函数（下一课进行讲解）。当你在 shell 中执行命令时，您实际上是在执行一段 shell 可以解释执行的简短代码。如果你要求 shell 执行某个指令，但是该指令并不是 shell 所了解的编程关键字，那么它会去咨询 环境变量 $PATH，它会列出当 shell 接到某条指令时，进行程序搜索的路径：
missing:~$ echo $PATH
/usr/local/sbin:/usr/local/bin:/usr/sbin:/usr/bin:/sbin:/bin
missing:~$ which echo
/bin/echo
missing:~$ /bin/echo $PATH
/usr/local/sbin:/usr/local/bin:/usr/sbin:/usr/bin:/sbin:/bin
当我们执行 echo 命令时，shell 了解到需要执行 echo 这个程序，随后它便会在 $PATH 中搜索由 : 所分割的一系列目录，基于名字搜索该程序。当找到该程序时便执行（假定该文件是 可执行程序，后续课程将详细讲解）。确定某个程序名代表的是哪个具体的程序，可以使用
which 程序。我们也可以绕过 $PATH，通过直接指定需要执行的程序的路径来执行该程序
在 shell 中导航¶
shell 中的路径是一组被分割的目录，在 Linux 和 macOS 上使用 / 分割，而在 Windows 上是 \。路径 / 代表的是系统的根目录，所有的文件夹都包括在这个路径之下，在 Windows 上每个盘都有一个根目录（例如：
C:\）。我们假设您在学习本课程时使用的是 Linux 文件系统。如果某个路径以 / 开头，那么它是一个 绝对路径，其他的都是 相对路径。相对路径是指相对于当前工作目录的路径，当前工作目录可以使用 pwd 命令来获取。此外，切换目录需要使用 cd 命令。在路径中，. 表示的是当前目录，而 .. 表示上级目录：
missing:~$ pwd
/home/missing
missing:~$ cd /home
missing:/home$ pwd
/home
missing:/home$ cd ..
missing:/$ pwd
/
missing:/$ cd ./home
missing:/home$ pwd
/home
missing:/home$ cd missing
missing:~$ pwd
/home/missing
missing:~$ ../../bin/echo hello
hello
注意，shell 会实时显示当前的路径信息。您可以通过配置 shell 提示符来显示各种有用的信息，这一内容我们会在后面的课程中进行讨论。
一般来说，当我们运行一个程序时，如果我们没有指定路径，则该程序会在当前目录下执行。例如，我们常常会搜索文件，并在需要时创建文件。
为了查看指定目录下包含哪些文件，我们使用 ls 命令：
missing:~$ ls
missing:~$ cd ..
missing:/home$ ls
missing
missing:/home$ cd ..
missing:/$ ls
bin
boot
dev
etc
home
...
除非我们利用第一个参数指定目录，否则 ls 会打印当前目录下的文件。大多数的命令接受标记和选项（带有值的标记），它们以 - 开头，并可以改变程序的行为。通常，在执行程序时使用 -h 或 --help 标记可以打印帮助信息，以便了解有哪些可用的标记或选项。例如，ls --help 的输出如下：
这个参数可以更加详细地列出目录下文件或文件夹的信息。首先，本行第一个字符 d 表示
missing 是一个目录。然后接下来的九个字符，每三个字符构成一组。
（rwx）. 它们分别代表了文件所有者（missing），用户组（users）以及其他所有人具有的权限。其中 - 表示该用户不具备相应的权限。从上面的信息来看，只有文件所有者可以修改（w），missing 文件夹（例如，添加或删除文件夹中的文件）。为了进入某个文件夹，用户需要具备该文件夹以及其父文件夹的“搜索”权限（以“可执行”：x）权限表示。为了列出它的包含的内容，用户必须对该文件夹具备读权限（r）。对于文件来说，权限的意义也是类似的。注意，/bin 目录下的程序在最后一组，即表示所有人的用户组中，均包含 x 权限，也就是说任何人都可以执行这些程序。
在这个阶段，还有几个趁手的命令是您需要掌握的，例如 mv（用于重命名或移动文件）、 cp（拷贝文件）以及 mkdir（新建文件夹）。
如果您想要知道关于程序参数、输入输出的信息，亦或是想要了解它们的工作方式，请试试 man 这个程序。它会接受一个程序名作为参数，然后将它的文档（用户手册）展现给您。注意，使用 q 可以退出该程序。
在程序间创建连接¶
在 shell 中，程序有两个主要的“流”：它们的输入流和输出流。
当程序尝试读取信息时，它们会从输入流中进行读取，当程序打印信息时，它们会将信息输出到输出流中。
通常，一个程序的输入输出流都是您的终端。也就是，您的键盘作为输入，显示器作为输出。
但是，我们也可以重定向这些流！
最简单的重定向是 < file 和 > file。这两个命令可以将程序的输入输出流分别重定向到文件：
missing:~$ echo hello > hello.txt
missing:~$ cat hello.txt
hello
missing:~$ cat < hello.txt
hello
missing:~$ cat < hello.txt > hello2.txt
missing:~$ cat hello2.txt
hello
您还可以使用 >> 来向一个文件追加内容。使用管道（pipes），我们能够更好的利用文件重定向。
| 操作符允许我们将一个程序的输出和另外一个程序的输入连接起来：
tail -n1 会显示尾部最后一行。
missing:~$ ls -l / | tail -n1
drwxr-xr-x 1 root root 4096 Jun 20 2019 var
missing:~$ curl --head --silent google.com | grep --ignore-case content-length | cut --delimiter=' ' -f2
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我们会在数据清理一章中更加详细的探讨如何更好的利用管道。
切换到 root 用户¶
对于大多数的类 Unix 系统，有一类用户是非常特殊的，那就是：根用户（root user）。 您应该已经注意到了，在上面的输出结果中，根用户几乎不受任何限制，他可以创建、读取、更新和删除系统中的任何文件。
通常在我们并不会以根用户的身份直接登录系统，因为这样可能会因为某些错误的操作而破坏系统。
取而代之的是我们会在需要的时候使用 sudo 命令。顾名思义，它的作用是让您可以以 su（super user 或 root 的简写）的身份执行一些操作。
当您遇到拒绝访问（permission denied）的错误时，通常是因为此时您必须是根用户才能操作。然而，请再次确认您是真的要执行此操作。
有一件事情是您必须作为根用户才能做的，那就是向 sysfs 文件写入内容。系统被挂载在 /sys 下，sysfs 文件则暴露了一些内核（kernel）参数。
因此，您不需要借助任何专用的工具，就可以轻松地在运行期间配置系统内核。注意 Windows 和 macOS 没有这个文件。
例如，您笔记本电脑的屏幕亮度写在 brightness 文件中，它位于
通过将数值写入该文件，我们可以改变屏幕的亮度。现在，蹦到您脑袋里的第一个想法可能是：
$ sudo find -L /sys/class/backlight -maxdepth 2 -name '*brightness*'
/sys/class/backlight/thinkpad_screen/brightness
$ cd /sys/class/backlight/thinkpad_screen
$ sudo echo 3 > brightness
An error occurred while redirecting file 'brightness'
open: Permission denied
出乎意料的是，我们还是得到了一个错误信息。毕竟，我们已经使用了
sudo 命令！关于 shell，有件事我们必须要知道。|、>、和 < 是通过 shell 执行的，而不是被各个程序单独执行。
echo 等程序并不知道 | 的存在，它们只知道从自己的输入输出流中进行读写。
对于上面这种情况，shell（权限为您的当前用户）在设置 sudo echo 前尝试打开 brightness 文件并写入，但是系统拒绝了 shell 的操作因为此时 shell 不是根用户。
明白这一点后，我们可以这样操作：
因为打开 /sys 文件的是 tee 这个程序，并且该程序以 root 权限在运行，因此操作可以进行。
这样您就可以在 /sys 中愉快地玩耍了，例如修改系统中各种 LED 的状态（路径可能会有所不同）：
sudo 和 su¶
在 Linux 系统中，有两个非常常用的命令：sudo 和 su。这两个命令都用于在终端中切换成其他用户，并在切换后执行特定的命令。
首先，让我们来讨论一下 sudo 命令。sudo 是 "Super User Do" 的缩写，它允许普通用户以超级管理员的权限执行命令。通常情况下，普通用户没有权限执行一些需要管理员权限的操作，比如安装软件、修改系统配置文件等。但是，通过使用 sudo 命令，普通用户可以临时地获得这些权限，从而执行这些需要管理员权限的命令。要使用 sudo 命令，只需在命令前加上 sudo 即可，然后输入当前用户的密码进行身份验证。如果验证成功，就可以以超级管理员的权限执行该命令了。
举个例子，假设我们需要安装一个软件包。如果以普通用户身份执行安装命令，会提示权限不足。但是，如果我们在命令前加上 sudo，就可以临时获得管理员权限，执行安装命令，而无需切换到管理员账户。这样，我们就可以在不破坏系统文件权限的情况下完成安装。
接下来，让我们来谈谈 su 命令。su 是 "Switch User" 的缩写，它允许当前用户切换到其他用户账户。与 sudo 命令不同，su 命令不需要管理员密码，而是需要输入目标用户的密码。su 命令在切换用户身份后，打开一个新的终端窗口，以新用户的身份执行命令。如果没有指定目标用户，su 命令默认切换到 root 用户。
使用 su 命令很简单，只需在命令后加上目标用户的用户名即可。例如，要切换到 root 用户，只需在终端中输入 su，然后输入 root 用户的密码即可。
需要注意的是，su 命令切换用户后，会导致环境变量和工作目录的改变。因此，在切换用户后，需要重新设置环境变量和切换到合适的工作目录。另外，为了安全起见，不建议长时间以 root 用户身份工作，因为这会暴露系统面临更高的风险。
总结起来，sudo 和 su 命令都是在 Linux 系统中切换用户身份和执行特定命令的重要工具。sudo 命令允许普通用户以管理员权限执行命令，而 su 命令则是用于切换到其他用户账户。在使用这两个命令时，需要谨慎操作，并且遵循安全最佳实践。