9.Shell脚本修炼手册---数值计算实践

Shell 数值计算实践

算术运算符

在 Shell 中进行数值计算时，我们需要用到各种算术运算符。这些运算符和我们平时接触的数学运算符号很相似，只是在 Shell 中有特定的使用规则。下面为大家详细介绍常见的 Shell 算术运算符：

• +、-（一元）：表示正数或负数，比如 +5 表示正 5，-3 表示负 3。
• +、-（二元）：表示加法和减法，比如 2+3 结果为 5，5-2 结果为 3。
• *、/、%：分别表示乘法、除法、取余（取模）。例如 2*3=6，6/2=3，7%3=1（7 除以 3 的余数是 1）。
• **：表示幂运算，比如 2**3 表示 2 的 3 次方，结果为 8。
• ++、–：自增和自减运算符，既可以放在变量前面（如 ++a），也可以放在变量后面（如 a++）。前置时先运算再使用变量值，后置时先使用变量值再运算。
• !、&&、||：逻辑运算符，分别表示逻辑非（取反）、逻辑与（and）、逻辑或（or）。比如 !true 结果为假，true && false 结果为假，true || false 结果为真。
• <、<=、>、>=：比较运算符，分别表示小于、小于等于、大于、大于等于。比如 3<5 结果为真，5>=6 结果为假。
• ==、!=、=：比较运算符，== 和 = 表示相等（字符串比较时也可用 =），!= 表示不相等。比如 3==3 结果为真，4!=5 结果为真。
• <<、>>：移位运算符，<< 表示向左移位，>> 表示向右移位（二进制层面的操作）。比如 8<<1（8 的二进制是 1000，左移 1 位变为 10000，即 16）。
• ~、|、&、^：按位运算符，~ 是按位取反，| 是按位或，& 是按位与，^ 是按位异或（针对二进制位的运算）。
• =、+=、-=、*=、/=、%=：赋值运算符，a=5 表示给 a 赋值 5；a+=1 等价于 a=a+1，即 a 的值加 1 后重新赋值给 a；其他运算符类似。

在 Shell 中，常用的算术运算命令有以下几种，它们各自有不同的特点和适用场景：

• $(())：专门用于整数运算，效率高，用法灵活，是运维人员常用的运算方式。
• let：功能和 $(()) 类似，也用于整数运算。
• expr：可用于整数运算，还能处理字符串长度、匹配等操作。
• bc：Linux 自带的计算器程序，支持整数和小数运算。
• $[]：用于整数运算，语法简单。
• awk：既能处理整数运算，也能处理小数运算，精度较高。
• declare：通过 -i 参数定义整数变量，之后可直接对变量进行运算。

$(()) 双小括号数值运算命令

双小括号 $(()) 是 Shell 中进行数值运算和数值比较的高效工具，用法灵活，在实际工作中经常被使用。

$(()) 双小括号数值运算的基础语法

$(()) 的使用方式主要有以下几种：

• ((变量 = 表达式))：先计算表达式，再将结果赋值给变量。例如 ((i=i+1)) 表示将 i+1 的结果重新赋值给 i。 ⚠️ 注意：不能直接用 echo ((i=i+1)) 输出结果，需要用 echo $((i=i+1)) 才能输出运算后的值。
• ** 变量 =(((表达式))**：在 \)(())前加\(，表示将表达式的运算结果赋值给变量。例如 i=\)((i+1))和上面的((i=i+1)) 效果相同。
• ((比较表达式))：可进行比较操作，还能结合逻辑与（&&）、逻辑或（||）用于条件判断。例如 ((8>7 && 5==5)) 表示判断 8 大于 7 且 5 等于 5，结果为真。
• echo $((表达式))：直接输出表达式的运算结果。例如 echo $((2+1))\ 会输出 3。

$(()) 双小括号运算实践

实验流程：通过多个示例演示 $(()) 的基本用法，包括简单计算、复杂计算、特殊运算符使用、比较判断、自增自减操作及变量赋值，观察运算结果并理解其逻辑。

示例 1：简单的数值计算

# 直接计算1+1的结果并输出，$((...))会先计算内部表达式，再通过echo输出
[bq@shell ~]$ echo $((1+1))
2# 计算6*3的结果并输出
[bq@shell ~]$ echo $((6*3))
18# 用((...))定义变量i并赋值为5
[bq@shell ~]$ ((i=5))# 计算i*2的结果并重新赋值给i（此时i=5*2=10）
[bq@shell ~]$ ((i=i*2))# 输出变量i的值，验证运算结果
[bq@shell ~]$ echo $i
10

示例 2：复杂的数值计算

# 计算表达式1+2^3-4%3的结果并赋值给a（2^3=8，4%3=1，所以1+8-1=8）
[bq@shell ~]$ ((a=1+2**3-4%3))# 输出a的值，验证结果
[bq@shell ~]$ echo $a
8# 将表达式的结果同时赋值给b和a（先计算表达式，再赋值给a，最后将a的值赋给b）
[bq@shell ~]$ b=$((a=1+2**3-4%3))# 输出b的值，结果和a一致
[bq@shell ~]$ echo $b
8# 直接输出表达式的运算结果
[bq@shell ~]$ echo $((a=1+2**3-4%3))
8# 计算1到100的和（公式：n*(n+1)/2），赋值给a
[bq@shell ~]$ a=$((100*(100+1)/2))# 输出a的值（100*101/2=5050）
[bq@shell ~]$ echo $a
5050# 直接输出1到100的和
[bq@shell ~]$ echo $((100*(100+1)/2))
5050

示例 3：特殊运算符号的使用

# 定义a=8，然后计算a+=1（即a=a+1）的结果并输出（8+1=9）
[bq@shell ~]$ a=8;echo $((a+=1))
9# 计算a的平方（a此时为9，9^2=81）并输出
[bq@shell ~]$ echo $((a**2))
81

示例 4：比较和判断

# 判断3<8是否成立（成立），执行后无输出，通过$?查看返回值（0表示真）
[bq@shell ~]$ ((3<8))
[bq@shell ~]$ echo $?  # $?是上一条命令的返回值，0为成功（真），非0为失败（假）
0# 直接输出3<8的判断结果（1表示真，0表示假）
[bq@shell ~]$ echo $((3<8))
1# 判断3>8是否成立（不成立），通过$?查看返回值（1表示假）
[bq@shell ~]$ ((3>8))
[bq@shell ~]$ echo $?
1# 直接输出3>8的判断结果（0表示假）
[bq@shell ~]$ echo $((3>8))
0# 输出3==3的判断结果（1表示真）
[bq@shell ~]$ echo $((3==3))
1# 用if判断8>7且5==5是否成立（成立则输出yes）
[bq@shell ~]$ if ((8>7 && 5==5));then echo yes;fi
yes

示例 5：自增（++）和自减（–）运算符的使用

# 定义a=10
[bq@shell ~]$ a=10# 输出a++的结果（a++是后置自增，先输出a的原值10，再将a加1）
[bq@shell ~]$ echo $((a++))
10# 此时a的值已变为11，输出验证
[bq@shell ~]$ echo $a
11# 输出--a的结果（--a是前置自减，先将a减1（11-1=10），再输出结果）
[bq@shell ~]$ echo $((--a))
10# 此时a的值为10，输出验证
[bq@shell ~]$ echo $a
10

总结：

• 后置自增 / 自减（a++、a--）：先输出变量当前值，再对变量进行加 1 / 减 1 操作。
• 前置自增 / 自减（++a、--a）：先对变量进行加 1 / 减 1 操作，再输出变量的新值。

示例 6：通过 $(()) 运算后赋值给变量

# 定义num=99
[bq@shell ~]$ num=99# 计算num+1的结果（99+1=100）并输出（此时num的值未改变）
[bq@shell ~]$ echo $((num+1))
100# 将num+1的结果赋值给num（此时num=100）
[bq@shell ~]$ num=$((num+1))# 输出num的值，验证结果
[bq@shell ~]$ echo $num
100

let 命令

let 命令用于执行整数运算，语法格式为 let 表达式，其功能和 ((表达式)) 完全相同。

实验流程：通过对比普通赋值和 let 命令赋值的差异，理解 let 命令的作用。

示例：

# 定义i=2
[bq@shell ~]$ i=2# 直接用i=i+8赋值（Shell会当作字符串处理，不会计算）
[bq@shell ~]$ i=i+8# 输出i的值，结果为字符串"i+8"，而非计算后的10
[bq@shell ~]$ echo $i
i+8# 重新定义i=2
[bq@shell ~]$ i=2# 用let命令执行i=i+8（会进行数值计算，等价于((i=i+8))）
[bq@shell ~]$ let i=i+8# 输出i的值，结果为10（2+8=10）
[bq@shell ~]$ echo $i
10

expr 命令

expr（全称 evaluate expressions，即 “求值表达式”）命令不仅可以进行整数运算，还能处理字符串长度计算、字符串匹配等操作。

expr 命令的基本用法

实验流程：通过简单的加减乘运算，观察 expr 命令的语法要求（如空格、特殊符号转义）。

示例：

# 计算2+2，但运算符前后没有空格，expr会当作字符串输出
[bq@shell ~]$ expr 2+2  # 等价于直接输出"2+2"
2+2# 计算2+2，运算符前后有空格，expr会进行数值计算并输出结果4
[bq@shell ~]$ expr 2 + 2  # 等价于echo $((2+2))
4# 直接用*计算2*2，会报错（*在Shell中是通配符，被误解）
[bq@shell ~]$ expr 2 * 2
expr: syntax error# 用\转义*，表示乘法，计算2*2的结果并输出4
[bq@shell ~]$ expr 2 \* 2 
4

使用 expr 的注意事项：

• 运算符和参与计算的数字前后必须有至少一个空格，否则 expr 会当作字符串处理，不会进行运算。
• 乘法运算符 * 必须用反斜线 \ 转义，因为 Shell 中 * 是通配符（匹配任意字符），不转义会被 Shell 误解。

expr 的企业级实战案例

实验流程：通过 4 个实战案例（判断整数、验证文件扩展名、计算字符串长度、筛选短单词），掌握 expr 在实际场景中的应用。

示例 1：判断一个变量值是否为整数

实现原理：expr 进行数值计算时，要求参与运算的必须是整数。如果将变量和一个已知整数（非 0）相加，若命令返回值为 0（成功），则变量为整数；若返回值非 0（失败），则变量不是整数。

# 定义变量i为整数5
[bq@shell ~]$ i=5# 用expr计算i+5（5+5=10），输出结果10
[bq@shell ~]$ expr $i + 5
10# 查看上一条命令的返回值（0表示成功，说明i是整数）
[bq@shell ~]$ echo $?
0# 定义变量i为非整数a
[bq@shell ~]$ i=a# 用expr计算i+5，因i不是整数，报错
[bq@shell ~]$ expr $i + 5
expr: non-integer argument# 查看返回值（2表示失败，说明i不是整数）
[bq@shell ~]$ echo $?
2

此外，还可以用 expr match 结合正则表达式判断是否为整数（^[0-9]+$ 匹配 1 个或多个数字）：

# 变量i为非整数a，用match匹配整数格式，返回0（不匹配）
[bq@shell ~]$ i=a
[bq@shell ~]$ expr match "$i" "^[1-9][0-9]*$"  # ^[1-9][0-9]*$：匹配非0开头的整数（排除0）
0# 变量i为整数5，用match匹配整数格式，返回1（匹配成功，1表示匹配的长度）
[bq@shell ~]$ i=5
[bq@shell ~]$ expr match "$i" "^[0-9][0-9]*$"  # ^[0-9][0-9]*$：匹配0或非0开头的整数（包括0）
1

示例 2：判断文件扩展名是否符合要求

通过 expr "$变量" : "正则表达式" 匹配字符串，若返回值大于 0 则匹配成功，否则失败。

# 定义文件名为stu-202212.jpg（扩展名是jpg）
[bq@shell ~]$ file=stu-202212.jpg# 用正则表达式".*\.jpg$"匹配以.jpg结尾的文件（.*匹配任意字符，\.jpg$匹配.jpg结尾）
# 返回值14表示匹配的字符串长度（整个文件名长度），说明匹配成功
[bq@shell ~]$ expr "$file" : ".*\.jpg$"
14# 查看返回值（0表示成功）
[bq@shell ~]$ echo $?
0# 用正则表达式".*\.pub$"匹配以.pub结尾的文件（当前文件不匹配）
# 返回值0表示未匹配
[bq@shell ~]$ expr "$file" : ".*\.pub$"
0# 查看返回值（1表示失败）
[bq@shell ~]$ echo $?
1

示例 3：计算字符串的长度

用 expr length "字符串" 可直接获取字符串的长度（字符个数）。

# 定义字符串str为"abc123abc123"
[bq@shell ~]$ str="abc123abc123"# 计算str的长度（a、b、c、1、2、3、a、b、c、1、2、3共12个字符）
[bq@shell ~]$ expr length "$str"
12

示例 4：打印字符数不大于 6 的单词

脚本功能：遍历字符串中的每个单词，用 expr length 计算单词长度，筛选出长度≤6 的单词并输出。

#!/bin/bash
# 定义要处理的字符串（包含多个单词）
strings="This is Linux World  Welcome to our classroom"# 遍历字符串中的每个单词（for循环默认按空格分割）
for word in $strings
do# 用expr length计算单词长度，若长度≤6则输出该单词if [ $(expr length "$word") -le 6 ];thenecho $wordfi
done

执行验证：

# 执行脚本
[bq@shell ~]$ bash str.sh
This  # 长度4（≤6）
is    # 长度2（≤6）
Linux # 长度5（≤6）
World # 长度5（≤6）
to    # 长度2（≤6）
our   # 长度3（≤6）

说明：字符串中的单词长度分别为：This（4）、is（2）、Linux（5）、World（5）、Welcome（7，不输出）、to（2）、our（3）、classroom（10，不输出），因此输出符合条件的单词。

bc 命令

bc 是 Linux 自带的计算器程序，支持整数和小数运算，还可以通过 scale 控制小数位数。

实验流程：通过交互式和非交互式两种方式使用 bc，演示整数、小数运算及小数位数控制。

示例：

# 进入bc交互式模式（输入bc后回车）
[bq@shell ~]$ bc
bc 1.06.95
Copyright 1991-1994, 1997, 1998, 2000, 2004, 2006 Free Software Foundation, Inc.
This is free software with ABSOLUTELY NO WARRANTY.
For details type `warranty'. # 计算复杂表达式1+3*4-6/3^3%4（3^3=27，6/27=0，0%4=0，所以1+12-0=13）
1+3*4-6/3^3%4
13# 设置小数位数为4（scale控制小数位数）
scale=4# 计算1/3，结果保留4位小数
1/3
.3333# 退出bc交互式模式
quit# 非交互式模式：用echo将表达式传给bc，计算结果并输出
[bq@shell ~]$ echo '1+3*4-6/3^3%4' | bc
13# 非交互式模式：设置scale=4后计算1/3，结果保留4位小数
[bq@shell ~]$ echo 'scale=4;1/3' | bc
.3333

awk 命令实现计算

awk 是一种文本处理工具，同时也支持数值运算，尤其适合小数计算，精度较高。

实验流程：通过两个示例演示 awk 处理小数和整数运算的能力。

示例：

# 用echo传递两个小数7.7和3.8给awk，计算它们的差（7.7-3.8=3.9）
[bq@shell ~]$ echo 7.7 3.8 | awk '{ print $1-$2 }'  # $1表示第一个参数，$2表示第二个参数
3.9# 传递两个整数358和113给awk，计算(358-3)/113的结果（355/113≈3.14159）
[bq@shell ~]$ echo 358 113 | awk '{ print ($1-3)/$2 }'
3.14159

$[] 符号的运算

$[] 是 Shell 中用于整数运算的符号，语法简单，用法和 $(()) 类似。

实验流程：通过多个示例演示 $[] 的基本运算、变量参与运算及自增自减操作。

示例 1：基本运算

# 计算1+1的结果并输出
[bq@shell ~]$ echo $[1+1]
2# 计算4-2的结果并输出
[bq@shell ~]$ echo $[4-2]
2# 计算2*2的结果并输出
[bq@shell ~]$ echo $[2*2]
4# 计算4/2的结果并输出（整数除法，结果取整）
[bq@shell ~]$ echo $[4/2]
2# 计算5/2的结果并输出（5÷2=2.5，取整为2）
[bq@shell ~]$ echo $[5/2]
2# 计算5%2的结果并输出（5除以2的余数是1）
[bq@shell ~]$ echo $[5%2]
1# 定义count=3，计算(count+1)*3的结果（(3+1)*3=12）
[bq@shell ~]$ count=3;echo $[(count+1)*3]
12# 前置自增：先将count加1（3+1=4），再计算4+3=7
[bq@shell ~]$ count=3;echo $[ ++count + 3 ]
7# 后置自增：先计算3+3=6，再将count加1（此时count=4）
[bq@shell ~]$ count=3;echo $[ count++ + 3 ]
6# 前置自减：先将count减1（3-1=2），再计算2+3=5
[bq@shell ~]$ count=3;echo $[ --count + 3 ]
5# 后置自减：先计算3+3=6，再将count减1（此时count=2）
[bq@shell ~]$ count=3;echo $[ count-- + 3 ]
6

示例 2：计算 1 到 10 的和并输出表达式及结果

要求：输出格式为 1+2+3+...+10=55。

# 方法1：用seq -s "+" 10生成"1+2+...+10"，通过bc计算结果，再用echo拼接
[bq@shell ~]$ echo "$(seq -s + 10)=$(seq -s + 10 | bc)"
1+2+3+4+5+6+7+8+9+10=55# 方法2：用{1..10}生成1到10，tr将空格转为+，再用$((...))计算结果
[bq@shell ~]$ echo "$(echo {1..10} | tr ' ' '+')=$(( $(echo {1..10} | tr ' ' '+' ) ))"
1+2+3+4+5+6+7+8+9+10=55# 方法3：用$[]计算结果，其余和方法2相同
[bq@shell ~]$ echo "$(echo {1..10} | tr ' ' '+')=$[ $(echo {1..10} | tr ' ' '+' ) ]"
1+2+3+4+5+6+7+8+9+10=55

验证说明：三种方法均能生成 1+2+...+10 的表达式，并计算出和为 55，符合预期结果。

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