Shell 执行与脚本基础

把同一条命令执行多次并不困难，困难的是确认每次收到正确参数、保存了所需输出，而且失败没有被后续日志命令掩盖。脚本的价值是明确这些约定，让执行过程可检查。

本文是系列第二篇，前置知识见终端环境与文件操作。Windows 使用 PowerShell 7，Linux 使用 Bash。演示程序依赖 Python 3，只处理确定性文本，不需要编译器、服务器或 GPU；日志统计交给第五篇。

1. 最小项目与演示程序

沿用 terminal-lab，独立阅读时先在个人目录创建空项目及 scripts/、logs/。以下步骤都从项目根目录执行。Windows 核对 Get-Command python、python --version；Linux 核对 command -v python3、python3 --version，不要把别名指向的其他解释器当作同一个环境。

用编辑器将完整代码保存为 scripts/demo.py，UTF-8 编码；也可获取配套源码。

import argparse
import sys

parser = argparse.ArgumentParser()
parser.add_argument("--label", required=True)
parser.add_argument("--fail", action="store_true")
args = parser.parse_args()
# 固定值仅用于演示日志与退出码，绝不能作为性能测量样本。
print("# label: " + args.label)
print("input_id=demo-v1\nn=3\nvariant=demo\nrepeat=1\nthreads=1\nseed=0")
print("correctness=" + ("fail" if args.fail else "pass"))
print("metric=demo_value\nvalue=1.25\nunit=ms\nscope=synthetic")
print("# diagnostic: deterministic demo", file=sys.stderr)
sys.exit(7 if args.fail else 0)

它把约定字段写入标准输出，把诊断文字写入标准错误；正常结束返回 0，加入 --fail 返回 7。value=1.25 是虚构教学字段，不能作为程序耗时。诊断行以 # 开头，后续解析器保留原始日志但忽略这些注释行。

2. 参数、引号与展开

单个参数与参数数组

两种 Shell 中，'...' 通常作为不展开变量的字符串，"..." 可展开变量，但转义细节不同。Bash 中双引号内反斜杠有特定规则，PowerShell 常用反引号转义，不能直接互换。

# Windows 本地 · PowerShell 7，terminal-lab 根目录
$label = 'trial with spaces'
& python scripts/demo.py --label $label
$demoArgs = @('scripts/demo.py', '--label', $label, '--fail')
& python @demoArgs
$programRc = $LASTEXITCODE
"program exit=$programRc"

# Linux · Bash，terminal-lab 根目录
label='trial with spaces'
python3 scripts/demo.py --label "$label"
demo_args=(scripts/demo.py --label "$label" --fail)
python3 "${demo_args[@]}"
program_rc=$?
printf 'program exit=%s\n' "$program_rc"

第一条标签应完整包含空格，第二条退出码为 7。数组把参数保持为独立元素，优于拼接一大段字符串再交给 eval 或 Invoke-Expression；后者会重新解释字符串，其中的引号、分号和替换表达式都可能改变含义。

通配符与预览

Bash 常在调用工具前展开未引用的 *.log；PowerShell 中许多 cmdlet 自行解释 -Path 通配符，外部程序是否支持通配符取决于程序本身。

# 没有匹配时默认 Bash 可能原样保留 *.log，逐项检查避免误解。
for file in logs/*.log; do
  test -f "$file" || continue
  printf '%s\n' "$file"
done

PowerShell 先用 Get-ChildItem -LiteralPath logs -File -Filter '*.log' 列出目标，再逐个操作对象。给模式加引号不意味着两端执行同样的匹配，需要明确由 Shell、cmdlet 还是工具负责匹配。

3. 变量与环境

Shell 变量存在于当前解释器，环境变量可由子进程继承；子进程通常不能反向修改父 Shell 环境。Bash 用 name=value 建立变量，export name 使其进入环境；PowerShell 的 $name 与 $env:NAME 也属于不同范围。

Linux 中 LAB_MODE=demo python3 scripts/demo.py --label test 只对该次进程及其子进程设置环境。LAB_MODE=demo command1 && command2 不会自动给第二条设置同一环境。PowerShell 可用 try/finally 临时改变并恢复：

$hadMode = Test-Path Env:LAB_MODE
$savedMode = $env:LAB_MODE
try {
    $env:LAB_MODE = 'demo'
    & python scripts/demo.py --label test
    $programRc = $LASTEXITCODE
} finally {
    if ($hadMode) { $env:LAB_MODE = $savedMode }
    else { Remove-Item Env:LAB_MODE -ErrorAction SilentlyContinue }
}

已有值应恢复，无原值时才删除。PATH 决定通过名字查找程序的位置，核对用 Get-Command python -All 或 type -a python3。同名工具可能有多份，版本正确也不能证明来自期望目录。仅为一次运行改变环境时，不必修改系统 PATH 或启动文件。

4. 管道与输入输出

字节流与对象流

Bash 常规管道连接前一进程标准输出与后一进程标准输入。grep -nF 'value=' logs/run.log | head -n 5 传递文本字节。PowerShell cmdlet 管道主要传递对象，可在格式化前选择属性：

Get-ChildItem -LiteralPath logs -File |
    Select-Object Name, Length |
    Sort-Object Length

Format-Table 面向显示，不应放在需要保存对象属性的中间阶段。外部程序接入 PowerShell 管道还有文本与字节转换问题，因此本文只处理可解码文本；二进制复制使用文件工具，不依赖文本管道保真。

覆盖、追加与流合并

以下是独立实验，每条可单独执行；> 会覆盖同名输出。

python3 scripts/demo.py --label test > logs/stdout.log 2> logs/stderr.log
python3 scripts/demo.py --label test > logs/combined.log 2>&1
python3 scripts/demo.py --label test >> logs/appended.log 2>&1

Bash 重定向从左到右生效：> file 2>&1 先把输出送入文件，再让错误流指向同一位置；2>&1 > file 可能把错误留在原终端。< input.txt 把文件交给程序读取，不等于把路径作为参数。

# Windows 本地 · PowerShell 7，明确保存文本编码
& python scripts/demo.py --label test 2>&1 |
    Out-File -LiteralPath 'logs/combined.log' -Encoding utf8
$programRc = $LASTEXITCODE

PowerShell 不提供 Bash 同样的 < 语法，需要查看程序的文件参数或使用明确进程接口。7.4 起部分原生命令重定向保留字节流，但合并错误流、经过 cmdlet 和旧版本时仍有差异，不能笼统视为同一二进制通道。

5. 退出状态与条件执行

外部程序与 Shell 状态

退出码是外部程序约定，0 常表示成功，非零意义由程序定义。Bash 的 $? 是上一条管道或命令状态；PowerShell 的 $LASTEXITCODE 是最近外部程序或相关脚本退出码，$? 是上一项操作成功状态。读取之前先运行其他命令，可能已失去所需状态。

PowerShell 的 $ErrorActionPreference='Stop' 能把许多 cmdlet 非终止错误转为异常，不能跨版本保证所有原生程序非零退出都抛异常。本文保存并检查退出码，不依赖该推断。

& python scripts/demo.py --label test --fail
$programRc = $LASTEXITCODE
if ($programRc -ne 0) { "实验失败，exit=$programRc" }

python3 scripts/demo.py --label test --fail
program_rc=$?
if (( program_rc != 0 )); then printf '实验失败，exit=%s\n' "$program_rc"; fi

&&、|| 在 Bash 中根据前面状态决定后续执行；PowerShell 从 7 起支持管道链运算符，5.1 需条件语句。a && b || c 不是完整 if/else：a 成功但 b 失败，也会执行 c。

管道中的失败

默认 Bash 管道状态通常来自最后一项，tee 成功可能掩盖实验失败。直接保存各段状态，不在管道后插入其他命令：

set -o pipefail
python3 scripts/demo.py --label test --fail 2>&1 | tee logs/tee-failed.log
codes=("${PIPESTATUS[@]}")
printf 'program=%s tee=%s\n' "${codes[0]}" "${codes[1]}"

应得到程序状态 7、tee 状态 0。pipefail 使管道返回最右侧非零状态，但不列出所有失败；需查看 PIPESTATUS。本实验在未启用 set -e 的会话执行。

set -e 在条件测试、部分 &&/|| 列表和管道等上下文有例外，不能描述为“任意错误立即停止”。预期失败应显式捕获；PowerShell 也要分别关注退出码和日志 cmdlet 异常，不把 $? 当成管道每段的完整报告。

6. 运行脚本与重复执行

Bash 入口

将完整脚本保存为 scripts/run.sh，UTF-8 无 BOM、LF 换行；配套文件与此一致。脚本定位自身目录，再进入项目根目录，因此从其他目录调用也能找到演示程序。

#!/usr/bin/env bash
set -u
# 固定从项目根执行，调用者的当前目录不影响日志位置。
root=$(cd -- "$(dirname -- "${BASH_SOURCE[0]}")/.." && pwd) || exit 1
cd -- "$root" || exit 1
if (( $# < 1 )); then printf 'usage: bash scripts/run.sh LABEL [--fail]\n' >&2; exit 2; fi
command -v python3 >/dev/null || exit 127
mkdir -p logs || exit 1
run_id="demo-$(date -u +%Y%m%dT%H%M%S)-$$-$RANDOM"
log="logs/$run_id.log"
# noclobber 阻止同名覆盖；时间、PID 和随机后缀降低碰撞概率。
(set -C; : > "$log") || exit 1
{
  printf 'run_id=%s\ncase_id=demo-v1\n' "$run_id"
  printf 'started_at=%s\nphase=sample\npair=1\norder=1\n' "$(date -u +%Y-%m-%dT%H:%M:%SZ)"
} >> "$log" || exit 1
python3 scripts/demo.py --label "$1" "${@:2}" >> "$log" 2>&1
program_rc=$?
# 先保存实验退出码；日志写入失败也必须成为脚本失败。
printf 'exit_code=%s\n' "$program_rc" >> "$log" || exit 1
cat -- "$log" || exit 1
exit "$program_rc"

运行 bash scripts/run.sh 'trial with spaces' 应返回 0；再运行 bash scripts/run.sh 'failure trial' --fail 应返回 7。日志名不同且均包含 exit_code。程序结束后才显示日志，这个基础模板没有实时显示，也没有假装 tee 就能提供全部失败状态。

PowerShell 入口

保存为 scripts/run.ps1；配套文件如下：

#requires -Version 7.0
param([Parameter(Mandatory)][string]$Label, [switch]$Fail)
$ErrorActionPreference = 'Stop'
# PowerShell 的错误偏好不能代替外部程序的退出码检查。
$PSNativeCommandUseErrorActionPreference = $false
$root = Split-Path -Parent $PSScriptRoot
$null = Get-Command python -ErrorAction Stop
Push-Location -LiteralPath $root
try {
    $null = New-Item -ItemType Directory -Path logs -Force
    $runId = 'demo-' + [DateTimeOffset]::UtcNow.ToString('yyyyMMddTHHmmss') + '-' + [guid]::NewGuid().ToString('N')
    $log = Join-Path $root "logs/$runId.log"
    # CreateNew 即使碰撞也不会覆盖既有日志。
    $stream = [IO.File]::Open($log, [IO.FileMode]::CreateNew)
    $stream.Dispose()
    @("run_id=$runId", 'case_id=demo-v1',
      "started_at=$([DateTimeOffset]::UtcNow.ToString('o'))",
      'phase=sample', 'pair=1', 'order=1') | Set-Content -LiteralPath $log -Encoding utf8
    $demoArgs = @('scripts/demo.py', '--label', $Label)
    if ($Fail) { $demoArgs += '--fail' }
    & python @demoArgs 2>&1 | Out-File -LiteralPath $log -Append -Encoding utf8
    $programRc = $LASTEXITCODE
    "exit_code=$programRc" | Add-Content -LiteralPath $log -Encoding utf8
    Get-Content -LiteralPath $log -Encoding utf8
    exit $programRc
} finally {
    Pop-Location
}

从项目根目录执行独立进程，避免脚本 exit 影响交互会话：

pwsh -NoProfile -File scripts/run.ps1 -Label 'trial with spaces'
$normalRc = $LASTEXITCODE
pwsh -NoProfile -File scripts/run.ps1 -Label 'failure trial' -Fail
$failureRc = $LASTEXITCODE
"normal=$normalRc failure=$failureRc"

预期为 0、7。第三种状态是参数错误：Linux 可运行 bash scripts/run.sh 'invalid arguments' --unknown，Python 会拒绝未知参数并返回 2，包装脚本仍保存独立日志。PowerShell 的入口只暴露已定义参数，因此对演示程序直接做独立参数故障实验：

# Windows 本地 · PowerShell 7，项目根目录；每次生成不同日志名
$argumentLog = Join-Path 'logs' ('arguments-' + [guid]::NewGuid().ToString('N') + '.log')
& python scripts/demo.py --label test --unknown 2>&1 |
    Out-File -LiteralPath $argumentLog -Encoding utf8
$argumentRc = $LASTEXITCODE
"exit_code=$argumentRc" | Add-Content -LiteralPath $argumentLog -Encoding utf8

预期 argumentRc 为 2。这个故障日志只有参数诊断和退出码，不是完整实验记录，第五篇解析时不能补出缺失的成功字段。Shell 参数绑定失败也可能发生在脚本主体开始之前，因此没有日志文件不代表成功。

执行策略阻止可信本地脚本时，先用 Get-ExecutionPolicy -List 核对限制和组织要求，不直接修改整台机器策略。有限重复可用 Bash 的 for trial in 1 2 3 或 PowerShell 的 foreach ($trial in 1..3)；每次都检查状态，不因最后一轮成功便判定全批成功。

7. 脚本检查与故障定位

bash -n scripts/run.sh 只检查语法；bash -x ... 打印展开命令，可能泄露参数或密钥，调试前应去除敏感内容。ShellCheck 是额外静态工具，提供引号等线索，不能替代实际运行。

PowerShell 解析器可只检查语法：

$parseTokens = $null
$parseErrors = $null
$scriptPath = (Resolve-Path -LiteralPath 'scripts/run.ps1').Path
$null = [Management.Automation.Language.Parser]::ParseFile(
    $scriptPath, [ref]$parseTokens, [ref]$parseErrors)
$parseErrors

无输出表示没有发现语法错误，文件权限和依赖尚未验证。

症状	检查与判断依据	处理
失败运行却显示成功	状态是否在日志命令后读取	立即保存退出码，分别处理日志失败
标签或路径被拆开	参数元素数与引号	使用数组，不二次解释字符串
不同目录调用失败	是否依赖调用者目录	从脚本位置解析项目根目录
每轮日志覆盖	是否复用固定文件名	唯一标识加创建时禁止覆盖
程序找不到	实际解释器路径和依赖	核对来源，再安装匹配环境依赖

8. 命令速查与实践练习

目标	Bash	PowerShell 7
定位工具	command -v、type -a	Get-Command -All
参数数组	"${args[@]}"	@argumentArray
原生退出码	$?	$LASTEXITCODE
环境变量	export NAME=value	$env:NAME='value'
语法检查	bash -n	Parser::ParseFile
入口	bash scripts/run.sh	pwsh -NoProfile -File scripts/run.ps1

验收：正常、故意失败和参数错误各执行一次，产生三份不同日志、标签空格完整、状态分别为 0、7、2；从父目录调用仍写入项目 logs/；环境变量临时修改后恢复；日志写入失败时脚本不报告成功。

Windows PowerShell 7 入口、空格参数与正常/失败状态已实测；Bash 入口未在 Linux 主机执行。第三篇提供 C++ 计算程序，第六篇用独立跨平台驱动组织正式实验，不把本篇虚构数值混入性能样本。

9. 参考资料

• Bash 管道。
• Bash 严格选项。
• PowerShell 自动变量。
• PowerShell 管道。
• PowerShell 重定向。

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