Linux Shell 数学运算

1、执行数学运算

　　另一个对任何编程语言都很重要的特性是操作数字的能力。遗憾的是，对shell脚本来说，这个处理过程会比较麻烦。在shell脚本中有两种途径来进行数学运算。

1.1 expr 命令

　　最开始，Bourne shell提供了一个特别的命令用来处理数学表达式。expr命令允许在命令行上处理数学表达式，但是特别笨拙。

$ expr 1 + 5
6

　　注意：1 + 5，+ 号左右两边均有空格，如两边均无空格，shell会认为这是一个字符串！！！

　　expr命令能够识别少数的数学和字符串操作符，见下表。

操 作 符	描 述
ARG1 | ARG2	如果ARG1既不是null也不是零值，返回ARG1；否则返回ARG2
ARG1 & ARG2	如果没有参数是null或零值，返回ARG1；否则返回0
ARG1 < ARG2	如果ARG1小于ARG2，返回1；否则返回0
ARG1 <= ARG2	如果ARG1小于或等于ARG2，返回1；否则返回0
ARG1 = ARG2	如果ARG1等于ARG2，返回1；否则返回0
ARG1 != ARG2	如果ARG1不等于ARG2，返回1；否则返回0
ARG1 >= ARG2	如果ARG1大于或等于ARG2，返回1；否则返回0
ARG1 > ARG2	如果ARG1大于ARG2，返回1；否则返回0
ARG1 + ARG2	返回ARG1和ARG2的算术运算和
ARG1 - ARG2	返回ARG1和ARG2的算术运算差
ARG1 * ARG2	返回ARG1和ARG2的算术乘积
ARG1 / ARG2	返回ARG1被ARG2除的算术商
ARG1 % ARG2	返回ARG1被ARG2除的算术余数
STRING : REGEXP	如果REGEXP匹配到了STRING中的某个模式，返回该模式匹配
match STRING REGEXP	如果REGEXP匹配到了STRING中的某个模式，返回该模式匹配
substr STRING POS LENGTH	返回起始位置为POS（从1开始计数）、长度为LENGTH个字符的子字符串
index STRING CHARS	返回在STRING中找到CHARS字符串的位置；否则，返回0
length STRING	返回字符串STRING的数值长度
+ TOKEN	将TOKEN解释成字符串，即使是个关键字
(EXPRESSION)	返回EXPRESSION的值

　　尽管标准操作符在expr命令中工作得很好，但在脚本或命令行上使用它们时仍有问题出现。许多expr命令操作符在shell中另有含义（比如星号）。当它们出现在在expr命令中时，会得到一些诡异的结果。

$ expr 5 * 2
expr: syntax error
$

　　要解决这个问题，对于那些容易被shell错误解释的字符，在它们传入expr命令之前，需要使用shell的转义字符（反斜线）将其标出来。

$ expr 5 * 2
10
$

　　现在，麻烦才刚刚开始！在shell脚本中使用expr命令也同样复杂：

$ cat expr.sh 
#!/bin/bash
#An example of using expr command
var1=20
var2=10
var3=$(expr ${var1} / ${var2})
echo the result is ${var3}
$

　　要将一个数学算式的结果赋给一个变量，需要使用命令替换来获取expr命令的输出：

$ chmod a+x expr.sh
$ /expr.sh
the result is 2
$

　　幸好bash shell有一个针对处理数学运算符的改进，将会在后面介绍中看到。

1.2 使用方括号

　　bash shell为了保持跟Bourne shell的兼容而包含了expr命令，但它同样也提供了一种更简单的方法来执行数学表达式。在bash中，在将一个数学运算结果赋给某个变量时，可以用美元符和方括号（$[ operation ]）将数学表达式围起来。

$ var1=$[1 + 5]
$ echo $var1
6
$ var2=$[10 / 2]
$ echo $var2
5
$ 

　　用方括号执行shell数学运算比用expr命令方便很多。这种技术也适用于shell脚本。

$ chmod a+x expr1.sh 
$ cat expr1.sh 
#!/bin/bash

var1=50
var2=40
var3=35

var4=$[$var1 * ($var2 - $var3)]
echo the result is $var4
$ ./expr1.sh 
the result is 250
$ 

　　同样，注意在使用方括号来计算公式时，不用担心shell会误解乘号或其他符号。shell知道它不是通配符，因为它在方括号内。

　　在bash shell脚本中进行算术运算会有一个主要的限制。请看下例：

$ cat expr2.sh 
#!/bin/bash

var1=20
var2=3

var3=$[$var1 / $var2]
echo the final result is $var3
$ chmod a+x expr2.sh 
$ ./expr2.sh 
the final result is 6
$

　　bash shell数学运算符只支持整数运算。若要进行任何实际的数学计算，这是一个巨大的限制。

　　说明 z shell（zsh）提供了完整的浮点数算术操作。如果需要在shell脚本中进行浮点数运算，可以考虑看看z shell（将在后面博客中讨论）。

2、浮点解决方案

　　有几种解决方案能够克服bash中数学运算的整数限制。最常见的方案是用内建的bash计算器，叫作bc。

2.1 bc的基本用法

　　bash计算器实际上是一种编程语言，它允许在命令行中输入浮点表达式，然后解释并计算该表达式，最后返回结果。bash计算器能够识别：

• 　　数字（整数和浮点数）
• 　　变量（简单变量和数组）
• 　　注释（以#或C语言中的/* */开始的行）
• 　　表达式
• 　　编程语句（例如if-then语句）
• 　　函数
• 　　可以在shell提示符下通过bc命令访问bash计算器：

$ bc
bc 1.07.1
Copyright 1991-1994, 1997, 1998, 2000, 2004, 2006, 2008, 2012-2017 Free Software Foundation, Inc.
This is free software with ABSOLUTELY NO WARRANTY.
For details type `warranty'. 
3.3 * 5
16.5
3.14 * (3 + 4)
21.98
quit
$ 

　　这个例子一开始输入了表达式3.3 * 5。bash计算器返回了计算结果。随后每个输入到计算器的表达式都会被求值并显示出结果。要退出bash计算器，你必须输入quit。
　　浮点运算是由内建变量scale控制的。必须将这个值设置为你希望在计算结果中保留的小数位数，否则无法得到期望的结果。

$ bc -q
4 / 5
0
scale=3
4 / 5
.800
quit
$

　　-q, --quiet　　Do not print the normal GNU bc welcome.

　　scale变量的默认值是0。在scale值被设置前，bash计算器的计算结果不包含小数位。在将其值设置成4后，bash计算器显示的结果包含四位小数

　　除了普通数字，bash计算器还能支持变量。

$ bc -q
var1=10
var1 * 4
40
var2 = var1 / 5
print var2
2
quit
$

　　变量一旦被定义，你就可以在整个bash计算器会话中使用该变量了。print语句允许你打印变量和数字。

2.2 在脚本中使用bc

　　现在你可能想问bash计算器是如何在shell脚本中帮助处理浮点运算的。还记得命令替换吗？是的，可以用命令替换运行bc命令，并将输出赋给一个变量。基本格式如下：

　　variable=$(echo "options; expression" | bc)

　　第一部分options允许你设置变量。如果你需要不止一个变量，可以用分号将其分开。expression参数定义了通过bc执行的数学表达式。

$ cat bc1.sh 
#!/bin/bash
var1=$(echo "scale=4; 10 / 4" | bc)
echo the answer is $var1
$

　　这个例子将scale变量设置成了四位小数，并在expression部分指定了特定的运算。运行这个脚本会产生如下输出。

$ ./bc1.sh 
the answer is 2.5000
$

　　太好了！现在你不会再只能用数字作为表达式值了。也可以用shell脚本中定义好的变量。

$ cat bc2.sh 
#!/bin/bash

var1=100
var2=45

var3=$(echo "scale=4; ${var1} / ${var2}" | bc)
echo the answer is ${var3}
$ 

　　脚本定义了两个变量，它们都可以用在expression部分，然后发送给bc命令。别忘了用美元符表示的是变量的值而不是变量自身。这个脚本的输出如下。

$ chmod a+x bc2.sh 
$ ./bc2.sh 
the answer is 2.2222
$ 

　　当然，一旦变量被赋值，那个变量也可以用于其他运算。

$ cat bc3.sh 
#!/bin/bash

var1=10
var2=3.1415926
var3=$(echo "scale=4; ${var1} * ${var2}" | bc)
var4=$(echo "scale=4; ${var3} * ${var2}" | bc)

echo the result is ${var4}
$ chmod a+x bc3.sh 
$ ./bc3.sh 
the result is 98.6960406
$ 

　　这个方法适用于较短的运算，但有时你会涉及更多的数字。如果需要进行大量运算，在一个命令行中列出多个表达式就会有点麻烦。
　　有一个方法可以解决这个问题。bc命令能识别输入重定向，允许你将一个文件重定向到bc命令来处理。但这同样会叫人头疼，因为你还得将表达式存放到文件中。
　　最好的办法是使用内联输入重定向，它允许你直接在命令行中重定向数据。在shell脚本中，你可以将输出赋给一个变量。

variable=$(bc << EOF
options
statements
expressions
EOF
)

　　EOF文本字符串标识了内联重定向数据的起止。记住，仍然需要命令替换符号将bc命令的输出赋给变量。

　　现在可以将所有bash计算器涉及的部分都放到同一个脚本文件的不同行。下面是在脚本中使用这种技术的例子。

$ cat bc4.sh 
#!/bin/bash

var1=11.11
var2=22.22
var3=33.33
var4=44.44

var5=$(bc << EOF
scale=5
a1=(${var1} * ${var2})
b1=(${var3} * ${var4})
a1+b1
EOF
)

echo the answer is ${var5}
$ chmod a+x bc4.sh 
$ ./bc4.sh 
the answer is 1728.0494
$ 

　　将选项和表达式放在脚本的不同行中可以让处理过程变得更清晰，提高易读性。EOF字符串标识了重定向给bc命令的数据的起止。当然，必须用命令替换符号标识出用来给变量赋值的命令。
　　你还会注意到，在这个例子中，你可以在bash计算器中赋值给变量。这一点很重要：在bash计算器中创建的变量只在bash计算器中有效，不能在shell脚本中使用。

3、退出脚本

　　迄今为止所有的示例脚本中，我们都是突然停下来的。运行完最后一条命令时，脚本就结束了。其实还有另外一种更优雅的方法可以为脚本划上一个句号。
　　shell中运行的每个命令都使用退出状态码（exit status）告诉shell它已经运行完毕。退出状态码是一个0～255的整数值，在命令结束运行时由命令传给shell。可以捕获这个值并在脚本中使用。

3.1、查看退出状态码

　　Linux提供了一个专门的变量$?来保存上个已执行命令的退出状态码。对于需要进行检查的命令，必须在其运行完毕后立刻查看或使用$?变量。它的值会变成由shell所执行的最后一条命令的退出状态码。

$ date
Sat Jan 15 10:01:30 EDT 2020
$ echo $?
0
$

　　按照惯例，一个成功结束的命令的退出状态码是0。如果一个命令结束时有错误，退出状态码就是一个正数值。

$ asdfg
-bash: asdfg: command not found
$ echo $?
127
$

$ asdfg
-bash: asdfg: command not found
$ echo $?
127
$

　　无效命令会返回一个退出状态码127。Linux错误退出状态码没有什么标准可循，但有一些可用的参考，如下表所示。

 　　　　　　　　　　　　

 　　退出状态码126表明用户没有执行命令的正确权限。

$ ./myprog.c
-bash: ./myprog.c: Permission denied
$ echo $?
126
$

　　另一个会碰到的常见错误是给某个命令提供了无效参数。

$ date %t
date: invalid date '%t'
$ echo $?
1
$

　　这会产生一般性的退出状态码1，表明在命令中发生了未知错误。

3.2、exit 命令

　　默认情况下，shell脚本会以脚本中的最后一个命令的退出状态码退出。

$ ./test6
The result is 2
$ echo $?
0
$

　　你可以改变这种默认行为，返回自己的退出状态码。exit命令允许你在脚本结束时指定一个退出状态码。

$ cat test13
#!/bin/bash
# testing the exit status
var1=10
var2=30
var3=$[$var1 + $var2]
echo The answer is $var3
exit 5
$

　　当查看脚本的退出码时，你会得到作为参数传给exit命令的值。

$ chmod u+x test13
$ ./test13
The answer is 40
$ echo $?
5
$

　　也可以在exit命令的参数中使用变量。

$ cat test14
#!/bin/bash
# testing the exit status
var1=10
var2=30
var3=$[$var1 + $var2]
exit $var3
$

　　当你运行这个命令时，它会产生如下退出状态。

$ chmod u+x test14
$ ./test14
$ echo $?
40
$

　　你要注意这个功能，因为退出状态码最大只能是255。看下面例子中会怎样。

$ cat test14b
#!/bin/bash
# testing the exit status
var1=10
var2=30
var3=$[$var1 * $var2]
echo The value is $var3
exit $var3
$

　　现在运行它的话，会得到如下输出。

$ ./test14b
The value is 300
$ echo $?
44
$

　　退出状态码被缩减到了0～255的区间。shell通过模运算得到这个结果。一个值的模就是被除=后的余数。最终的结果是指定的数值除以256后得到的余数。在这个例子中，指定的值是300（返=回值），余数是44，因此这个余数就成了最后的状态退出码。
　　在后面中，你会了解到如何用if-then语句来检查某个命令返回的错误状态，以便知道命=令是否成功。