Shell 数值运算

由 娃娃脸呦 创建，Loen 最后一次修改 2016-02-24 前言从本文开始，打算结合平时积累和进一步实践，通过一些范例来介绍Shell编程。因为范例往往能够给人以学有所用的感觉，而且给人以动手实践的机会，从而激发人的学习热情。考虑到易读性，这些范例将非常简单，但是实用，希望它们能够成为我们解决日常问题的参照物或者是“茶余饭后”的小点心，当然这些“点心”肯定还有值得探讨、优化的地方。更复杂有趣的例子请参考 Advanced Bash-Scripting Guide (一本深入学习 Shell 脚本艺术的书籍)。该系列概要：目的：享受用 Shell 解决问题的乐趣；和朋友们一起交流和探讨。计划：先零散地写些东西，之后再不断补充，最后整理成册。读者：熟悉 Linux 基本知识，如文件系统结构、常用命令行工具、Shell 编程基础等。建议：看范例时，可参考《Shell基础十二篇》和《Shell十三问》。环境：如没特别说明，该系列使用的 Shell 将特指 Bash，版本在 3.1.17 以上。说明：该系列不是依据 Shell 语法组织，而是面向某些潜在的操作对象和操作本身，它们反应了现实应用。当然，在这个过程中肯定会涉及到 Shell 的语法。这一篇打算讨论一下 Shell 编程中的基本数值运算，这类运算包括：数值（包括整数和浮点数）间的加、减、乘、除、求幂、求模等产生指定范围的随机数产生指定范围的数列Shell 本身可以做整数运算，复杂一些的运算要通过外部命令实现，比如 expr，bc，awk 等。另外，可通过 RANDOM 环境变量产生一个从 0 到 32767 的随机数，一些外部工具，比如 awk 可以通过 rand() 函数产生随机数。而 seq 命令可以用来产生一个数列。下面对它们分别进行介绍。整数运算范例：对某个数加 1$ i=0;$ ((i++))$ echo $i1$ let i++$ echo $i2$ expr $i + 13$ echo $i2$ echo $i 1 | awk '{printf $1+$2}'3说明： expr 之后的 $i，+，1 之间有空格分开。如果进行乘法运算，需要对运算符进行转义，否则 Shell 会把乘号解释为通配符，导致语法错误； awk 后面的 $1 和 $2 分别指 $i 和 1，即从左往右的第 1 个和第 2 个数。用 Shell 的内置命令查看各个命令的类型如下：$ type typetype is a shell builtin$ type letlet is a shell builtin$ type exprexpr is hashed (/usr/bin/expr)$ type bcbc is hashed (/usr/bin/bc)$ type awkawk is /usr/bin/awk从上述演示可看出： let 是 Shell 内置命令，其他几个是外部命令，都在 /usr/bin 目录下。而 expr 和 bc 因为刚用过，已经加载在内存的 hash 表中。这将有利于我们理解在上一章介绍的脚本多种执行方法背后的原理。说明：如果要查看不同命令的帮助，对于 let 和 type 等 Shell 内置命令，可以通过 Shell 的一个内置命令 help 来查看相关帮助，而一些外部命令可以通过 Shell 的一个外部命令 man 来查看帮助，用法诸如 help let，man expr 等。范例：从 1 加到某个数#!/bin/bash# calc.shi=0;while [ $i -lt 10000 ]do ((i++))doneecho $i说明：这里通过 while [ 条件表达式 ]; do .... done 循环来实现。-lt 是小于号 <，具体见 test 命令的用法：man test。如何执行该脚本？办法一：直接把脚本文件当成子 Shell （Bash）的一个参数传入$ bash calc.sh$ type bashbash is hashed (/bin/bash)办法二：是通过 bash 的内置命令 . 或 source 执行$ . ./calc.sh或$ source ./calc.sh$ type .. is a shell builtin$ type sourcesource is a shell builtin办法三：是修改文件为可执行，直接在当前 Shell 下执行$ chmod ./calc.sh$ ./calc.sh下面，逐一演示用其他方法计算变量加一，即把 ((i++)) 行替换成下面的某一个：let i++;i=$(expr $i + 1)i=$(echo $i+1|bc)i=$(echo "$i 1" | awk '{printf $1+$2;}')比较计算时间如下：$ time calc.sh10000real 0m1.319suser 0m1.056ssys 0m0.036s$ time calc_let.sh10000real 0m1.426suser 0m1.176ssys 0m0.032s$ time calc_expr.sh1000real 0m27.425suser 0m5.060ssys 0m14.177s$ time calc_bc.sh1000real 0m56.576suser 0m9.353ssys 0m24.618s$ time ./calc_awk.sh100real 0m11.672suser 0m2.604ssys 0m2.660s说明： time 命令可以用来统计命令执行时间，这部分时间包括总的运行时间，用户空间执行时间，内核空间执行时间，它通过 ptrace 系统调用实现。通过上述比较可以发现 (()) 的运算效率最高。而 let 作为 Shell 内置命令，效率也很高，但是 expr，bc，awk 的计算效率就比较低。所以，在 Shell 本身能够完成相关工作的情况下，建议优先使用 Shell 本身提供的功能。但是 Shell 本身无法完成的功能，比如浮点运算，所以就需要外部命令的帮助。另外，考虑到 Shell 脚本的可移植性，在性能不是很关键的情况下，不要使用某些 Shell 特有的语法。let，expr，bc 都可以用来求模，运算符都是 %，而 let 和 bc 可以用来求幂，运算符不一样，前者是 **，后者是 ^ 。例如：范例：求模$ expr 5 % 21$ let i=5%2$ echo $i1$ echo 5 % 2 | bc1$ ((i=5%2))$ echo $i1范例：求幂$ let i=5**2$ echo $i25$ ((i=5**2))$ echo $i25$ echo "5^2" | bc25范例：进制转换进制转换也是比较常用的操作，可以用 Bash 的内置支持也可以用 bc 来完成，例如把 8 进制的 11 转换为 10 进制，则可以：$ echo "obase=10;ibase=8;11" | bc -l9$ echo $((8#11))9上面都是把某个进制的数转换为 10 进制的，如果要进行任意进制之间的转换还是 bc 比较灵活，因为它可以直接用 ibase 和 obase 分别指定进制源和进制转换目标。范例：ascii 字符编码如果要把某些字符串以特定的进制表示，可以用 od 命令，例如默认的分隔符 IFS 包括空格、 TAB 以及换行，可以用 man ascii 佐证。$ echo -n "$IFS" | od -c0000000 t n0000003$ echo -n "$IFS" | od -b0000000 040 011 0120000003浮点运算let 和 expr 都无法进行浮点运算，但是 bc 和 awk 可以。范例：求 1 除以 13，保留 3 位有效数字$ echo "scale=3; 1/13" | bc.076$ echo "1 13" | awk '{printf("%0.3fn",$1/$2)}'0.077说明： bc 在进行浮点运算时需指定精度，否则默认为 0，即进行浮点运算时，默认结果只保留整