Свойство терминала передавать только текст (иначе говоря, последовательности символов) приводит к необходимости операции по управлению вводом и выводом текста тоже кодировать с помощью специальных символов: удаление неправильно введённых символов, команда передать введённый текст системе, перевод строки, графическое выделение выведенного текста и т. п. Такие символы объединяют понятием управляющие символы.

Часть управляющих символов вводится специальными клавишами, предусмотренными для управления вводом текста, такими как Backspace и Enter. Управляющих символов может быть больше, чем нетекстовых клавиш на клавиатуре, в этом случае их необходимо извлекать с помощью какого-либо клавиатурного модификатора, например, Ctrl.

Количество различных управляющих символов зачастую ограничено и оказывается меньше колиечства необходимых команд терминалу. В этом случае для передачи команд используются управляющие последовательности, которые начинаются управляющим символом, за которым следует строго определенное число обычных символов, в данном случае интерпретируемых терминалом как та или иная команда.

Специальные управляющие символы могут быть также зарезервированы для команд межпроцессного взаимодействия (передачи сигналов). В частности, для завершения командной оболочки можно использовать символ конца ввода Ctrl-D. Эту команду интерпретирует при вводе с терминала система. Она же превращает некоторые другие управляющие символы (например, Ctrl-C — «перывание» или Ctrl-Z — «засыпание») в соответствующие сигналы.

Одной из полезных особенностей терминала является позможность его «прокрутки» с помощью клавиш Shift-PgUp и Shift-PgDn. Это может быть полезно, если вывод программы занимает больший объём, чем размер экрана.

Каждое устройство или программа, выполняющие функции терминала, имеет свои возможности по вводу и выводу информации. Примерами таких возможностей являются: число цветов отображения, способность перемещать курсор и изменять размер экрана, набор управляющих символов и т. п. При этом для операционной системы важна возможность работать с любыми терминалами одинаковым способом. Для этого в операционных системах семейства UNIX вводится понятие тип терминала: каждый тип сводится набору возможностей, регламентированных в специальном конфигурационном файле. Информация о всех существующих типах терминалов хранится в специализированной базе данных (terminfo или termcap). Примерами типов являются: tty (телетайп) или xterm (графический терминал).

Презентация 4-02: одновременный доступ к системе

То, что UNIX — многопользовательская и многозадачная система, проявляется не только в разграничении прав доступа (см. раздел «Введение в безопасность UNIX»), но и в организации рабочего места: ничто не препятствует подключить к операционной системе произвольное число терминалов одновременно, в особенности если функции терминала выполняет программа. Благодаря этому каждый компьютер, на котором работает UNIX, предоставляет возможность зарегистрироваться и получить доступ к системе с нескольких терминалов одновременно. Даже если в распоряжении всех пользователей есть только один монитор и одна системная клавиатура, эта возможность небесполезна: одновременная регистрация в системе на нескольких терминалах позволяет работать поочередно с несколькими задачами без необходимости каждый раз их завершать и затем возобновлять.

Характерный для современных версий UNIX способ организации параллельной работы пользователей — виртуальные консоли. Виртуальные консоли (virtual console) — это несколько параллельно выполняемых операционной системой программ, предоставляющих пользователю возможность зарегистрироваться в системе в текстовом режиме и получить доступ к командной строке (см. Рисунок 2.1, «Виртуальные и графические консоли»).

В операционной системе Linux переключение между виртуальными консолями в текстовом режиме производится с помощью комбинации клавиш Alt-F1, Alt-F2 и т. п. При этом каждая виртуальная консоль обозначается специальным именем: «tty1», «tty2» и т. д. По умолчанию в Linux доступно не менее шести виртуальных консолей, переключаться между которыми можно при помощи сочетания клавиши Alt с одной из функциональных клавиш (F1-F6). С каждым сочетанием связана соответствующая по номеру виртуальная консоль. Виртуальные консоли обозначаются «ttyN», где «N» — номер виртуальной консоли. На самом деле, каждая из таких конcолей связана с собственным терминалом, который характеризуется файлом устройства с соответствующим именем (например, /dev/tty1).

Также существует возможность запуска нескольких графических подсистем, тогда переключение между ними будет осуществляться аналогично переключению между виртуальными консолями — комбинацией клавиш Ctrl-Alt-F1.

Рисунок 2.1. Виртуальные и графические консоли

Команды, введённые пользователем, интерпретируются и выполняются специальной программой — командной оболочкой (или «shell» по-английски). Через командную оболочку производится управление пользовательскими процессами — для этого используются средства межпроцессного обмена, описанные ранее (см. «Межпроцессное взаимодействие»).

Ввод и вывод командной оболочки непосредственно связан с терминалом, через который осуществляется передача управляющих последовательностей и текста от пользователя и обратно. На рисунке Рисунок 2.2, «Интерфейс командной строки» представлена общая схема взаимодействия пользователя с системой при работе с командной строкой.

Существует несколько различных командных оболочек, используемых для управления системой в UNIX, далее в примерах мы будем рассматривать bash — самую распространенную современную командную оболочку.

Рисунок 2.2. Интерфейс командной строки

Для удобства пользователя командная строка оформляется в виде приглашения — специальной последовательности символов, которую командная оболочка выводит на терминал в знак того, что она готова принять очередную команду. Заодно приглашение командной строки служит целям визуальной организации интерфейса пользователя: прежде всего, она указывает область экрана, где будет отображаться вводимая пользователем команда (непосредственно справа от приглашения, в той же строке), кроме того, в приглашении принято помещать информацию о некоторых текущих свойствах командной оболочки (имени пользователя, текущем каталоге и т. п.) — такая информация выполняет роль «подсказок» пользователю, которые облегчают ориентацию в интерфейсе.

user@desktop ~ $ date
Втр Окт  4 23:15:37 MSD 2005
user@desktop ~ $

Здесь приглашением является строка user@desktop ~ $, которая содержит: имя пользователя, с правами которого исполняется командная оболочка (user), имя компьютера (desktop), имя текущего каталога (~, этим символом в командных оболочках UNIX принято обозначать домашний каталог пользователя). Заканчивается приглашение символом начала ввода ($), который, по существу, является единственным обязательным элементом приглашения и показывает собственно готовность командной оболочки ко вводу команды. В качестве символа начала ввода могут выступать разные символы, но чаще всего используется именно ($) для обозначения командной строки обычного пользователя и символ (#) для обозначения командной строки суперпользователя (root). Пользователь имеет возможность произвольным образом изменить оформление приглашения командной строки.

Презентация 4-03: формат команды

Приведенный выше пример демонстрирует простейшую команду, которая состоит только из имени команды: date. Для исполнения этой команды командная оболочка находит и запускает программу, имя которой совпадает с именем команды. В данном примере это утилита date, которая и выводит на терминал пользователя информацию о текущей дате и времени. Некоторые команды (такие как echo) являются встроенными для данной командной оболочки и для их выполнения вызывается не программа, а внутренняя функция оболочки.

В качестве имени команды, помимо внешней программы и встроенной функции, может выступать еще и псевдоним (alias). Псевдонимы — это определяемые пользователем сокращения, позволяющие заменить длинную, но часто используемую команду, более короткой. В конфигурационных файлах командного интерпретатора пользователя обычно уже определено несколько сокращений, список которых можно посмотреть с помощью команды alias без параметров:

user@desktop ~ $ alias
alias cp='cp -i'
alias l='ls -lapt'
alias ll='ls -laptc'
alias ls='ls --color=auto'
alias md='mkdir'
alias mv='mv -i'
alias rd='rmdir'
alias rm='rm -i'

Например, по команде ls вместо утилиты /bin/ls bash запускает собственную команду-сокращение, превращающееся в команду ls --color=auto. Повторно появившуюся в команде подстроку "ls" интерпретатор уже не обрабатывает, во избежание вечного цикла. Например, команда ls -al превращается в результате в ls --color=auto -al.

Сокращения не наследуются с окружением.

Однако команды UNIX могут быть устроены и более сложным образом, когда необходимо не только выполнить внешнюю программу, но и передать ей какую-то дополнительную информацию, чтобы так или иначе модифицировать ее работу. Модфикаторы поведения в этом случае вводятся в командной строке после имени команды — это параметры команды. Параметров может быть произвольное количество (оно зависит только от смысла передаваемой внешней программе информации), друг от друга параметры отделяются пробелами. Параметры будут переданы программе в том порядке, в котором они указаны в командной строке.

user@desktop ~ $ cal 1 2006
    Января 2006     
Вс Пн Вт Ср Чт Пт Сб
 1  2  3  4  5  6  7
 8  9 10 11 12 13 14
15 16 17 18 19 20 21
22 23 24 25 26 27 28
29 30 31

Командная оболочка передает внешней программе ее параметры не в виде единой строки, как их ввел пользователь, а в виде упорядоченного списка (первый параметр, второй параметр...). Для этого командную строку необходимо разбить на отдельные «слова». При разбиении на слова командная оболочка использует понятие разделитель (delimiter). Разделитель — это символ, разделяющий слова; таким образом командная строка — это последовательность слов (которые имеют значение) и разделителей (которые значения не имеют). Для командной оболочки разделителями являются символ пробела, символ табуляции и символ перевода строки. Количество разделителей между двумя соседними словами значения не имеет. Если необходимо передать в качестве параметра строку, содержащую символы-разделители, необходимо эту строку окружить одинарными или двойными кавычками.

user@desktop ~ $ echo "Hello, world."
Hello, world.

Параметры, которые могут быть переданы команде, подразделяются на два вида: первые — это внешние объекты, с которыми должна работать вызываемая команда (например, имена файлов, числа), вторые — это принимаемые программой модификаторы поведения. Последовательность в командной строке обычно такая: имя команды — модификаторы — объект(ы), где и модификаторы, и объекты необязательны.

В программах для UNIX параметры-модификаторы принято называть ключами (а также опциями и иногда флагами). Для формата ключей нет жёсткого стандарта, однако существуют договорённости, нарушать которые не принято. Так, ключи должны начинаться на символ «-» и могут быть однобуквенными (как -h) или полнословными (например, --help). Особый вид ключей — параметрические, которые принимают собственный параметр: например, в коменде grep -f access.log -n test имя файла access.log — часть параметра -f.

Проблемы могут возникнуть, если с символа «-» начинается не ключ, а обычный параметр, например, имя файла. В этом случае команда может интерпретировать этот параметр как ключ, что повлечет ошибку. Для выхода из этой ситуации используется специальная конструкция «--», указывающая, что список ключей закончен и любые последующие строки следует интерпретировать как параметры. Например:

user@desktop ~ $ ls -l -- -test-file
-rw-r--r--   1 user  users      90 Сен 19 00:20 -test-file

Если же нужно работать сразу с несколькими объектами, например, перемещать группу файлов в другой каталог, перечислять их все в качестве параметров команды перемещения будет неэффективно. Необходим способ задать одно «общее» имя для группы файлов, с которыми будет работать команда. В подавляющем большинстве случаев это можно сделать при помощи шаблона.

Шаблон в командном интерпретаторе используется примерно в тех же целях, что и регулярное выражение, которое будет описано в разделе «Команды, использующие регулярные выражения»: для поиска строк определенной структуры среди множества разнообразных строк. В отличие от регулярного выражения, шаблон всегда примеряется к строке целиком, кроме того, он устроен значительно проще (а значит, и беднее).

Символы в шаблоне разделяются на обычные и специальные. Обычные символы соответствуют таким же символам в строке, а специальные — обрабатываются особым образом:

Шаблоны используются в нескольких конструкциях shell. Главное место их применения — командная строка. Если оболочка «видит» в командной строке шаблон, она немедленно заменяет его списком файлов, имена которых ему соответствуют. Команда, которая затем вызывается, получает в качестве параметров список файлов уже без всяких шаблонов, как если бы этот список пользователь ввел вручную.

По умолчанию, ввод и вывод каждой команды, выполняемой в командной строке, связан с терминалом, за которым работает пользователь. Однако командная оболочка предусматривает средства перенаправления ввода и вывода команд. Один из самых важных случаев — перенаправление ввода/вывода в файл и из файла. Для этого в командной строке используются специальные символы >, >> и <. Символы перенаправления указываются в командной строке после всех параметров команды, за символом перенаправления должно следовать имя файла, в который или из которого следует передать данные.

user@desktop ~ $ date > /tmp/date
user@desktop ~ $ cat < /tmp/date
Втр Окт  4 23:15:37 MSD 2005
user@desktop ~ $

В данном примере вывод команды date перенаправляется в файл /tmp/date (при этом если такой файл существовал, то он будет уничтожен и создан заново с нуля), а затем команде cat перенаправляется на ввод содержимое этого файла. Обратите внимание, здесь команда cat выполняется без параметров, она получает содержимое файла /tmp/date непосредственно со стандартного ввода, как если бы пользователь ввел его прямо с терминала. Обращение к файлу и передачу данных выполняет в этом случае командная оболочка.

Современные оболочки, в том числе и bash, предусматривают также специальные символы для особых случаев перенаправления, в частности, >> служит для недеструктивного перенаправления в файл (данные не заместят содержимое файла, а будут дописаны в конец) или &> для направления в один файл двух потоков: стандартного вывода и стандартного вывода ошибок.

Презентация 4-04: программное окружение

В командной оболочке можно просматривать и изменять переменные окружения, которые соответствуют процессу оболочки (о переменных окружениях уже было сказано в разделе «Переменные окружения»). Программы могут исполняться по-разному, в зависимости от значений переменных окружения:

user@desktop ~ $ date
Птн Ноя 5 16:20:16 MSK 2004
user@desktop ~ $ LC_TIME=C date
Fri Nov 5 16:20:23 MSK 2004

В последнем примере пользователь присвоил некоторое значение переменной окружения в командной строке перед именем команды. Командный интерпретатор, увидев «=» внутри первого слова командной строки, приходит к выводу, что это — операция присваивания, а не имя команды, и запоминает, как надо изменить окружение команды, которая последует далее. Переменная окружения LC_TIME предписывает использовать определенный язык при выводе даты и времени, а значение "C" соответствует стандартному системному языку (чаще всего — английскому).

Для получения значения переменной окружения необходимо воспользоваться символом «$»:

user@desktop ~ $ echo $PWD
/home/user

В большинстве UNIX-систем существует набор переменных окружения, сопровождающих все процессы системы. При старте командной оболочки, инициализируется это множество системных переменных. Их можно посмотреть с помощью команды env. Некоторые из них представляют особый интерес для пользователя системы:

Презентация 4-05: служебные символы

Из предыдущих разделов видно, что некоторые символы используются в качестве команд самой командной оболочке, например, символы перенаправления ввода/вывода — служебные символы. Поскольку служебные символы адресованы самой командной оболочке, то при обработке командной строки они из нее «изымаются» и не передаются выполняющейся команде. Чтобы передать команде параметр, содержащий служебные символы, необходимо их тем или иным способом экранировать. С одним из способов экранирования — заключением параметра в одинарные или двойные кавычки — мы уже сталкивались раньше, когда говорили о параметрах, содержащих символы-разделители. Другой распространённый способ — постановка символа обратной косой черты (\) непосредственно перед служебным символом.

Рассмотрим основные группы служебных символов командной оболочки:

Презентация 4-06: исполнение команды

Командная оболочка — это обычный процесс в операционной системе UNIX. Когда пользователь вводит команду (например, по нажатию Enter), командная оболочка выполняет следующие действия:

Рисунок 2.3. Запуск команды оболочкой

Презентация 4-07: возвращаемое значение

Каждый процесс при завершении возвращает своему родительскому процессу специальный код завершения программы. Этот код может использоваться для получения результата выполнения программы и для проверки корректности её выполнения (возврата кода ошибки).

Традиционно для UNIX, в случае успешного выполнения программа (а также большинство системных функций) возвращает значение 0. Другие значения (все, отличные от 0) означают тот или иной вид ошибки. Так как программы часто выводят инфоромацию об ошибках через специальный поток вывода ошибок (stderr), возвращаемые значения чаще всего могут принимать только два значения: «ноль» и «не ноль».

Если рассмотреть простейший пример программы на языке C:

int main(int argc, char* argv[]) {
    ...
    if(error) {
        exit(1);
    }
    ...
    return 0;
}
	    

видно, что программы передают код завершения через возвращаемое значение главной функции (main) или как параметр функции exit.

В командной строке результат выполнения программы можно проанализировать с помощью специальной переменной ($?):

user@desktop ~ $ test -f /tmp/file.txt
user@desktop ~ $ echo $?
0

Вводимую команду можно редактировать с помощью клавиш Backspace и Delete, перемещаться стрелками по всей строке. При редактировании полезны функции Ctrl-W — удаление слова перед курсором и Ctrl-U — удаление всей строки.

Двумя другими клавишами со стрелками — вверх и вниз — задействуется весьма мощный механизм bash — работа с историей команд. Все команды, набранные пользователем, командная оболочка запоминает и позволяет обращаться к ним впоследствии. По стрелке вверх, список поданных команд «прокручивается» от последней к первой, а по стрелке вниз — обратно. Соответствующая команда отображается в командной строке как только что набранная, её можно отредактировать и подать оболочке (подгонять курсор к концу строки при этом необязательно).

Чтобы история команд могла сохраняться между сеансами работы пользователя, bash записывает ее в файл .bash_history, находящийся в домашнем каталоге пользователя. Делается это в момент завершения оболочки: накопленная за время работы история дописывается в конец этого файла. При следующем запуске командной оболочки считывает .bash_history целиком. История хранится не вечно, количество запоминаемых команд в .bash_history ограничено (обычно сохраняется 500 команд, но это можно и перенастроить).

Автодополнениe позволяeт быстро набирать команды и имена файлов. Во время набора имени команды или файла пользователь может нажать клавишу Tab, и командная оболочка попытается «дополнить» указанную команду или файл: предложит возможные варианты с данным началом или же дополнит имя, ведь часто набранной строки — пути к файлу и нескольких первых букв его имени — достаточно для однозначного указания на этот файл, потому что по введенному пути других файлов, чье имя начинается на эти буквы, просто нет.

Презентация 4-09: средства объединения команд

Существует возможность объединять несколько команд в одной командной строке. Это можно делать несколькими способами:

Современные командные оболочки позволяют строить более гибкие условные выражения (с импользованием скобок и знака отрицания) из выполняющихся команд.

Презентация 4-11: страницы руководств (man)

Больше всего полезной информации содержится в страницах руководства, для краткости мы будем называть их просто «руководство». Каждая страница посвящена какому-нибудь одному объекту системы. Для того чтобы посмотреть страницу руководства, нужно дать команду системе man объект:

user@desktop ~ $ man cal
CAL(1)       BSD General Commands Manual   CAL(1)
NAME
        cal - displays a calendar
SYNOPSIS
        cal [-smjy13] [[month] year]
DESCRIPTION
        Cal displays a simple calendar. If arguments
        are not specified, the current month is 
        displayed. 
        The options are as follows:
...

Страница руководства занимает, как правило, больше одной страницы экрана. Для того чтобы читать было удобнее, man запускает программу постраничного просмотра текстов — less. Управлять программой less просто: страницы перелистываются пробелом, а когда читать надоест, надо нажать q (Quit). Перелистывать страницы можно и клавишами Page Up/Page Down, для сдвига на одну строку вперед можно применять Enter или стрелку вниз, а на одну строку назад — стрелку вверх. Переход на начало и конец текста выполняется по командам g и G соответственно (Go). Полный список того, что можно делать с текстом в less, выводится по команде h (help). Для поиска и подстветки интересующего понятия можно воспользоваться командой /, после которой необходимо ввести интересующий Вас термин — по нажатию клавиши Enter, курсор перейдёт к первому упоминанию термина, который будет выделен серым цветом. Последующие нажатия / и Enter приведут к продолжению поиска слова по документу.

Страница руководства состоит из полей — стандартных разделов, с разных сторон описывающих заинтересовавший объект — например, команду cal. В поле NAME содержится краткое описание объекта (такое, чтобы его назначение было понятно с первого взгляда). В поле SYNOPSIS дается формализованное описание способов использования объекта (в данном случае — того, как и с какими параметрами запускать команду cal). Как правило, в квадратные скобки в этом поле заключены необязательные параметры команды, которые можно ей передать, а можно и опустить. Например, строка «[[month] year]» означает, что в этом месте командной строки параметров у команды может не быть вообще, может быть указан год или пара — месяц и год. Наконец, текст в поле DESCRIPTION — это развернутое описание объекта, достаточное для того, чтобы им воспользоваться.

Одно из самых важных полей руководства находится в конце текста. Если в процессе чтения NAME или DESCRIPTION пользователь понимает, что не нашел в руководстве того, что искал, он может захотеть посмотреть, а есть ли другие руководства или иные источники информации по той же теме. Список таких источников содержится в поле SEE ALSO:

user@desktop ~ $ man man
...
SEE ALSO
    apropos(1), whatis(1), less(1), groff(1), man.conf(5).

Справочные руководства делятся на разделы — в зависимости от типа описываемых объектов. Если один и тот же термин описывается в нескольких разделах, необходимо явно указать, какой из них использовать, например, man 3 printf для 3-го раздела руководств.

Всего существует 8 разделов руководств:

В примере выше в поле SEE ALSO обнаружились ссылки на руководства по less, groff (программе форматирования страницы руководства), структуре конфигурационного файла для man, а также по двум сопутствующим командам с такими говорящими названиями «apropos» и «whatis». Как и команда apropos, whatis ищет подстроку в некоторой базе данных, состоящей из полей NAME всех страниц помощи в системе. Различие между ними в том, что whatis — только среди имен объектов (в левых частях полей NAME), а apropos — по всей базе. В результате у whatis получается список кратких описаний объектов с именами, включающими искомое слово, а у apropos — список, в котором это слово упоминается. Для того, чтобы это узнать, все равно пришлось один раз прочесть документацию.

Описания объектов, выводимые whatis или apropos, отличаются числом в скобках — номером раздела:

user@desktop ~ $ whatis passwd
passwd (1) - update a user's authentication tokens(s)
passwd (5) - password file
passwd (8) - manual page for passwd wrapper version 1.0.5

Другой источник информации о UNIX (а точнее, в UNIX-подобных системах, базирующихся на программном обеспечении от GNU) и составляющих ее программах — справочная подсистема info. Страница руководства, несмотря на обилие ссылок различного типа, остается «линейным» текстом, структурированным только логически. Документ info структурирован прежде всего топологически — это настоящий гипертекст, в котором множество небольших страниц объединены в дерево. В каждом разделе документа info всегда есть оглавление, из которого можно перейти сразу к нужному подразделу, откуда всегда можно вернуться обратно. Кроме того, info-документ можно читать и как непрерывный текст, поэтому в каждом подразделе есть ссылки на предыдущий и последующий подразделы.

Программа info использует весь экран: на большей его части она показывает текст документа, а первая и две последних строки ориентации в его структуре.

Одна или несколько страниц, которые можно перелистывать клавишей Пробел или Page Up/Page Down — это узел (node). Узел содержит обычный текст и меню (menu) — список ссылок на другие узлы, лежащие в дереве на более низком уровне. Ссылки внутри документа имеют вид «* имя_узла::» и перемещать по ним курсор можно клавишей Tab, а переходить к просмотру выбранного узла — клавишей Enter. Вернуться к предыдущему просмотренному узлу можно клавишей l (oт «Last»). И, главное, выйти из программы info можно, нажав q («Quit»). Более подробную справку об управлении программой info можно в любой момент получить у самой info, нажав ?.

Некоторые объекты системы не имеют документации ни в формате man, ни в формате info. В этом случае можно надеяться, что при них есть сопроводительная документация, не имеющая, увы, ни стандартного формата, ни тем более ссылок на руководства по другим объектам системы. Такая документация (равно как и примеры использования объекта), обычно помещается в каталог /usr/share/doc/имя_объекта. Как правило, имя объекта здесь — это имя программы и её текущая версия.

Существует ещё одна довольно распространённая ситуация, в которой обширная документация по продукту, расположенная в директории /usr/share/doc/ выходит далеко за рамки man или info — если продукт достаточно сложен и имеет собственную структурированную и очень объёмную документацию. Примерами могут служить веб-сервер Apache или почтовый сервер Postfix.

В современных свободных версиях UNIX существуют проекты, целью которых является унификация и систематизация документации на основе XML. Наиболее известный из них — проект Scrollkeeper, который объединяет всю документацию (в первую очередь в современных оконных средах GNOME и KDE) и позволяют просматривать её с помощью простого браузера, предоставляют средства поиска, построения оглавления и указателей и т. п.

Однако подобные средства документации используются очень ограниченно, а роль основного истоника документации в UNIX-системах по-прежнему сохраняют страницы руководства. Возможно, причина этого в «распределённой» природе руководств: нет общего места, где сложены все руководства системы. Напротив, каждое руководство посвящено определённому объекту системы, дает конкретные сведения, необходимые в конкретной ситуации и доступно в любой командной строке, то есть всегда находится «под рукой».