Shell编程之函数与数组
目录
一：Shell函数
1：函数的用法
（1）两个数求和
（2）系统资源监控并报警函数
2：函数变量的作用范围
1.变量作用范围类型
2.作用范围规则表格
3：函数的参数
1.函数参数基础
2.参数传递模式对比
4：递归函数
1.递归函数关键要素
2.递归优化技巧
二：Shell数组
1. 索引数组（普通数组）
2. 关联数组（键值对）
（1）获取数组长度
（2） 读取某下标赋值
（3）数组遍历
（4）数组切片
（5）数组替换
（6）数组删除
三： Shell脚本调试
1.基础调试方法
2.调试工具
3.常见错误排查表
4.性能调试
本章总结
一：Shell函数
1：函数的用法
Shell函数可用于存放一系列的指令。在 Shell脚本执行的过程中，函数被置于内存中，每次调用函数时不需要从硬盘读取，因此运行的速度比较快。在 Shell编程中函数并非是必须的元素，但使用函数可以对程序进行更好的组织。将一些相对独立的代码变成函数，可以提高程序可读性与重用性，避免编写大量重复代码。
Shell函数定义的方法如下所示:
[function] 函数名（）{
命令序列
[return x]
}
1. “function”关键字表示定义一个函数，可以省略;
2. “{”符号表示函数执行命令的入口，该符号可以与函数名同行也可以在函数名下一行的句首;
3. “}”符号表示函数体结束，两个大括号之间{}是函数体;
4. “命令序列”部分可以是任意的 Shell命令，也可以调用其他函数;
5. “return”表示退出函数返回一个退出值,通过返回值判断执行是否成功，也可以使用 exit 终止整个 Shell脚本。
Shell函数调用的方法为：函数名·[参数1] [参数2]。 下面通过具体的示例学习函数的定义与调用。
（1）两个数求和
使用 Shell脚本实现两个数相加求和，通过定义函数的方式来完成。sum 函数内部通过 read 命令接收用户分别输入的两个数，然后做加法运算，最后通过调用函数的方式来输出两个数的和。
| 功能 | 语法 | 示例 | 说明 |
|---|---|---|---|
| 定义函数 | function_name() { commands; } 或 function function_name { commands; } | greet() { echo "Hello $1"; } | 两种定义方式等效，第一种更常用 |
| 调用函数 | function_name [arguments] | greet "World" | 像普通命令一样调用，可以传参数 |
| 返回值 | return [n] | return 0 | 返回状态码(0-255)，0表示成功 |
| 获取返回值 | $? | echo $? | 获取上一条命令/函数的返回值 |
| 参数传递 | $1, $2, ..., $n | echo "First arg: $1" | 函数内使用位置参数获取传入的参数 |
| 参数个数 | $# | echo "Args count: $#" | 获取传递给函数的参数个数 |
| 所有参数 | $@ 或 $* | for arg in "$@"; do ... | 获取所有参数，"$@"保留各参数独立性 |
| 局部变量 | local var=value | local name=$1 | 函数内使用local声明局部变量 |
| 导出函数 | export -f function_name | export -f greet | 使函数在子shell中可用 |
（2）系统资源监控并报警函数
该函数会定期监控系统的 CPU 和内存使用率，当使用率超过设定的阈值时，会发送报警信息，这里简单模拟为输出到控制台，实际应用中可扩展为发送邮件、短信等。
| 功能 | 函数实现 | 报警方式 | 示例调用 | 说明 | ||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| CPU使用率监控 | `check_cpu() { local threshold=1;localusage=1;localusage=(top -bn1 | grep "Cpu(s)" | sed "s/., [0−9.]∗[0−9.]∗% id./\1/" | awk '{print 100 - (echo "usage>usage>threshold" | bc) -eq 1 ] && return 1 | return 0; }` | 返回值 | `check_cpu 90 && echo "CPU正常" | echo "CPU超过阈值"` | 监控CPU使用率是否超过阈值 | ||
| 内存使用监控 | `check_mem() { local threshold=1;localfree=1;localfree=(free -m | awk '/Mem:/{print (free -m | awk '/Mem:/{print ((100 - free*100/total)); [ usage−gtusage−gtthreshold ] && return 1 | return 0; }` | 返回值 | `check_mem 85 && echo "内存正常" | echo "内存超过阈值"` | 监控内存使用百分比 | ||||
| 磁盘空间监控 | `check_disk() { local path=1;localthreshold=1;localthreshold=2; local usage=(df−h(df−hpath | awk 'NR==2{print $5}' | tr -d '%'); [ usage−gtusage−gtthreshold ] && return 1 | return 0; }` | 返回值 | `check_disk "/" 90 && echo "磁盘正常" | echo "磁盘空间不足"` | 监控指定挂载点磁盘使用率 | ||||
| 进程存在性检查 | `check_process() { local process=1;pgrep−x1;pgrep−xprocess >/dev/null && return 0 | return 1; }` | 返回值 | `check_process "nginx" && echo "Nginx运行中" | echo "Nginx未运行"` | 检查指定进程是否运行 | ||||||
| 端口监听检查 | `check_port() { local port=$1; netstat -tuln | grep -q ":$port " && return 0 | return 1; }` | 返回值 | `check_port 80 && echo "80端口已监听" | echo "80端口未监听"` | 检查指定端口是否被监听 | |||||
| 发送邮件报警 | `send_alert() { local subject=1;localbody=1;localbody=2; echo "$body" | mail -s "$subject" admin@example.com; }` | 邮件 | send_alert "CPU警报" "CPU使用率超过90%" | 使用mail命令发送报警邮件 | |||||||
| 发送HTTP通知 | send_webhook() { local url=$1; local message=$2; curl -X POST -H 'Content-Type: application/json' -d "{\"text\":\"$message\"}" $url; } | Webhook | send_webhook "https://hooks.example.com" "服务器异常" | 通过HTTP请求发送报警通知 |
1. 参数说明:函数接收三个参数，分别是PU使用率阈值、内存使用率阈值以及监控间隔时间(秒)。
2. 循环监控:使用 while true 循环不断监控系统资源。通过 top 和 free 命令获取 CPU 和内存使用率，使用 bc 命令进行浮点数比较。
3. 报警处理:当使用率超过阈值时，调用send alert 函数发送报警信息。
2：函数变量的作用范围
在 Shell脚本中函数的执行并不会开启一个新的子 Shell，而是仅在当前定义的 shell环境中有效。如果Shell脚本中的变量没有经过特殊设定，默认在整个脚本中都是有效的。
1.变量作用范围类型
| 变量类型 | 声明方式 | 作用范围 | 生命周期 | 示例 |
|---|---|---|---|---|
| 全局变量 | 默认声明(无修饰符) | 整个脚本(包括函数内外) | 从声明到脚本结束 | var="value" |
| 局部变量 | 使用local关键字 | 仅在当前函数内有效 | 函数执行期间 | local var="value" |
| 环境变量 | 使用export命令 | 当前脚本及其子进程 | 直到进程结束 | export VAR="value" |
| 位置参数 | $1, $2, ..., $n | 函数内部(会覆盖脚本参数) | 函数执行期间 | echo "First arg: |
2.作用范围规则表格
| 规则 | 说明 | 示例 |
|---|---|---|
| 1. 函数内未声明直接使用的变量 | 会访问或修改全局变量 | function f1() { var=10; }var=5; f1; echo $var # 输出10 |
2. 使用local声明的变量 | 只在函数内有效，不影响外部同名变量 | function f2() { local var=20; }var=5; f2; echo $var # 输出5 |
| 3. 函数参数变量 | $1-$n只在函数内有效，不影响脚本参数 | function f3() { echo $1; }f3 "hello" # 输出hello |
| 4. 函数内修改环境变量 | 需要使用export或declare -x | function f4() { export VAR=30; } |
| 5. 子shell中的变量 | 不会影响父shell的变量 | var=5; (var=10); echo $var # 输出5 |
| 6. 函数返回值 | 通过return返回状态码，通过echo返回数据 | function f5() { echo "data"; return 0; } |
在编写脚本时，有时需要将变量的值限定在函数内部，可以通过内置命令 local 来实现。函数内部变量的使用，可以避免函数内外同时出现同名变量对脚本结果的影响。local 命令的使用如下所示。
上述脚本中，myfun 函数内部使用了 local 命令设置变量 i，其作用是将变量 i 限定在函数内部。myfun 函数外部同样定义了变量 i，内部变量 i 和全局变量 i 互不影响。脚本执行时先调用了函数myfun，函数内部变量i为 8，所以输出结果是 8。调用完函数之后，给变量i 赋值为 9，再打印外部变量 i，所以又输出 9。
3：函数的参数
函数的参数的用法如下。
函数名称 参数 1 参数 2 参数 3......
1.函数参数基础
| 参数变量 | 描述 | 示例 |
|---|---|---|
$1 - $n | 位置参数，表示第1到第n个参数 | echo "第一个参数: $1" |
$0 | 函数名(在大多数Shell中)，脚本名(在某些Shell中) | echo "函数名: $0" |
$# | 传递给函数的参数个数 | echo "参数个数: $#" |
$@ | 所有参数的列表，每个参数作为独立字符串 | for arg in "$@"; do echo "$arg"; done |
$* | 所有参数的列表，合并为单个字符串 | echo "所有参数: $*" |
2.参数传递模式对比
| 传递方式 | 语法 | 特点 | 适用场景 |
|---|---|---|---|
| 位置参数 | func arg1 arg2 | 简单直接 | 少量简单参数 |
| 选项参数 | func -a val1 -b val2 | 可读性强，顺序灵活 | 复杂参数设置 |
| 数组展开 | func "${array[@]}" | 传递数组内容 | 需要处理数组时 |
| Here String | func <<< "$data" | 传递字符串 | 简单字符串输入 |
| 文件描述符 | func <(command) | 传递命令输出 | 需要处理命令输出时 |
在使用函数参数时，函数名称在前参数在后，函数名和参数之间用空格分隔，可以有多个参数，参数使用$1、$2、$3.的方式表示。以此类推，从第 10 个参数开始，调用方法为${10}，不加大括号无法调用成功。下面是函数参数的一个简单应用。
第一个参数是写日志的目标文件
第二个参数是日志信息
整个脚本实现将日志信息写入目标文件内的目的。
4：递归函数
Shell也可以实现递归函数，就是可以调用自己本身的函数。在 Linux 系统上编写 shell脚本的时候，经常需要递归遍历系统的目录，列出目录下的文件和目录，逐层递归列出，并对这些层级关系进行展示。具体的实现过程如下所示。
函数 list_files 的第一个参数是列举的目录名，第二个参数是调整的空间。
递归函数是指调用自身的函数，在 Shell 脚本中也可以实现递归功能。
1.递归函数关键要素
| 要素 | 说明 | 示例 |
|---|---|---|
| 终止条件 | 必须存在明确的递归结束条件 | if [ $n -eq 0 ]; then return; fi |
| 参数变化 | 每次递归调用参数必须向终止条件靠近 | factorial $((n-1)) |
| 局部变量 | 必须使用local声明变量，避免递归间干扰 | local result=$(recursive_func) |
| 返回值 | 可通过return返回状态码或echo返回数据 | echo $result 或 return 0 |
| 栈深度 | Shell有递归深度限制(通常几百层) | ulimit -s查看栈大小 |
2.递归优化技巧
| 技巧 | 说明 | 示例 |
|---|---|---|
| 尾递归 | 将递归调用放在函数最后，减少栈使用 | tail_recursive $((n-1)) |
| 记忆化 | 缓存已计算结果，避免重复计算 | 使用关联数组存储中间结果 |
| 迭代替代 | 对深度递归考虑用循环改写 | for/while循环替代递归 |
| 尾调用优化 | 确保递归调用是最后一步操作 | return $(recursive_call) |
二：Shell数组
在 shell脚本中，数组是一种常见的数据结构，主要的应用场景包括:获取数组长度、获取元素长度、遍历元素、元素切片、元素替换、元素删除等等。shell中的数组与 Java、c、Python 不同，只有一维数组，没有二维数组。数组元素的大小与限制，也不需要事先定义。shell数组用括号()来表示，元素用空格分隔，元素的下标与大部分编程语言类似从0开始。
数组常用定义方法包括以下几种。
方法一:
数组名=(value0 value1 value2...)
方法二:
数组名=([0]=value[1]=value[2]=value ...)
方法三:
列表名=”value0 value1 value2 ...数组名=($列表名)
方法四:
数组名[0]=”value”数组名[2]=”value’数组名[1]=”value”
1. 索引数组（普通数组）
| 操作 | 语法 | 示例 |
|---|---|---|
| 声明数组 | array=(value1 value2 value3) | fruits=("apple" "banana" "cherry") |
| 设置元素 | array[index]=value | fruits[0]="apricot" |
| 获取元素 | ${array[index]} | echo ${fruits[1]} # 输出 banana |
| 获取所有元素 | ${array[@]} 或 ${array[*]} | echo ${fruits[@]} |
| 数组长度 | ${#array[@]} | echo ${#fruits[@]} # 输出元素个数 |
| 获取索引 | ${!array[@]} | echo ${!fruits[@]} # 输出 0 1 2 |
2. 关联数组（键值对）
| 操作 | 语法 | 示例 |
|---|---|---|
| 声明关联数组 | declare -A array | declare -A user |
| 设置元素 | array[key]=value | user[name]="Alice" |
| 获取元素 | ${array[key]} | echo ${user[name]} |
| 获取所有值 | ${array[@]} | echo ${user[@]} |
| 获取所有键 | ${!array[@]} | echo ${!user[@]} |
| 数组长度 | ${#array[@]} | echo ${#user[@]} |
下面通过具体的示例掌握数组的基本使用方法。
（1）获取数组长度
在 Shell编程中，数组是一种用于存储多个值的数据结构。获取数组长度(即数组中元素的个数)在很多场景下都非常有用，比如进行数组遍历、数据处理等。普通数组是 shell中最常见的数组类型，其下标是从 0开始的连续整数。获取普通数组长度可以使用 ${#数组名[@]}或 ${#数组名[*]} 这两种语法，它们的效果是一样的。
（2） 读取某下标赋值
在 shell编程里，你可以读取数组中指定下标的元素，也可以给指定下标的数组元素赋值。普通数组是 Shell中最常用的数组类型，其下标是从0开始的整数。
（3）数组遍历
在 Shell编程里，数组遍历指的是按顺序访问数组中的每一个元素，并对这些元素执行特定操作的过程。这在处理一组相关数据时非常有用，比如批量处理文件、统计数据等。
（4）数组切片
数组切片是一种操作，用于从数组中提取出一部分连续的元素，形成一个新的数组。这个操作在很多编程语言中都有支持，不过不同语言实现数组切片的语法和方式会有所差异。在Bash 脚本里，也可以进行数组切片操作。语法是 ${array[@]:start:length}，其中 start 是开始的索引，length 是要提取的元素个数。
将数组切片之后，返回的是字符串，以空格作为分隔符。
（5）数组替换
（6）数组删除
三： Shell脚本调试
在 shell脚本开发中，经常碰到一些规范方面的问题，例如忘了使用引号或在 if 语句末尾处忘记加 fi 结束。要注意把复杂的脚本简单化，要思路清晰，并且分段实现。当执行脚本时出现错误后，不要只看那些提示的错误行，而是要观察整个相关的代码段。
为避免编写的脚本出错，除了在编写脚本时注意书写规范，排除语法错误，更重要的是利用调试脚本工具来调试脚本。echo 命令是最有用的调试脚本工具之一，一般在可能出现问题的脚本中加入 echo 命令，采用的是分段排查的方式。
除了 echo 命令之外，bash shell也有相应参数可以调试脚本。使用 bash 命令参数调试，命令的语法为:
sh [-nvx] 脚本名
常用参数的具体含义为:
| 参数 | 含义 |
| -n | 不会执行该脚本，仅查询脚本语法是否有问题，如果没有语法问题就不显示任何内容，如果有问题会提示报错。 |
| -v | 在执行脚本时，先将脚本的内容输出到屏幕上然后执行脚本，如果有错误，也会给出错误提示。 |
| -x | 将执行的脚本内容输出到屏幕上，这个是对调试很有用的参数。 |
1.基础调试方法
| 方法 | 命令/选项 | 说明 | 示例 |
|---|---|---|---|
| 打印调试 | echo/printf | 输出变量和状态信息 | echo "变量值: $var" |
| 执行跟踪 | set -x/set +x | 显示执行的每条命令及其参数 | set -xyour_script.shset +x |
| 详细模式 | set -v/set +v | 显示读取的输入行 | set -vyour_script.shset +v |
| 严格模式 | set -euo pipefail | 组合严格检查选项 | set -euo pipefail |
| 语法检查 | bash -n | 只检查语法不执行 | bash -n script.sh |
2.调试工具
| 工具 | 用途 | 示例 |
|---|---|---|
| shellcheck | 静态分析工具 | shellcheck script.sh |
| bashdb | Bash调试器 | bashdb script.sh |
| vscode/bash插件 | 集成开发环境调试 | 配置launch.json |
| xtrace | 增强的跟踪输出 | PS4='+${BASH_SOURCE}:${LINENO}: ' bash -x script.sh |
3.常见错误排查表
| 错误类型 | 排查方法 | 解决方案 |
|---|---|---|
| 语法错误 | bash -n script.sh | 检查括号、引号匹配 |
| 变量未定义 | set -u | 确保变量已初始化 |
| 命令失败 | echo $? | 检查命令返回值 |
| 权限问题 | ls -l | 添加执行权限 chmod +x |
| 文件不存在 | test -f file | 检查文件路径 |
| 管道错误 | set -o pipefail | 检查管道中所有命令 |
| 参数错误 | echo "$@" | 验证参数数量 ${#@} |
4.性能调试
| 方法 | 说明 | 示例 |
|---|---|---|
time | 测量命令执行时间 | time your_script.sh |
pv | 监控管道数据流 | cat bigfile.log | pv | grep "error" |
strace | 跟踪系统调用 | strace -f -o trace.log bash script.sh |
perf | 性能分析工具 | perf stat bash script.sh |
当脚本文件较长时，可以使用 set 命令指定调试一段脚本。
本章总结
函数:函数是 shell脚本中组织代码、提高复用性的重要手段。通过将一系列指令封装成函数，可以避免代码重复，使脚本更加简洁易读。函数的定义与调用简单直观，支持参数传递和递归调用，为模块化开发提供了便利。
数组:作为 Shell脚本中的一种重要数据结构，数组支持存储多个值，并提供了丰富的操作方法，如获取数组长度、读取和赋值、遍历、切片、替换和删除元素等。这些功能在处理一组相关数据时非常有用。
调试与测试:在 Shell脚本编写过程中,调试与测试是确保脚本正确运行的关键环节。通过使用 echo命令和 bash 的调试参数(-n、-v、-x)，可以方便地定位和解决问题，提高脚本的稳健性。