Einführung in die Shell

Übersicht

Fragen

• Was ist eine Befehlsshell und warum sollte ich sie benutzen?

Ziele

• Erklären Sie, wie die Shell mit der Tastatur, dem Bildschirm, dem Betriebssystem und den Programmen der Benutzer zusammenhängt.
• Erklären Sie, wann und warum Befehlszeilenschnittstellen anstelle von grafischen Schnittstellen verwendet werden sollten.

Hintergrund

Menschen und Computer interagieren in der Regel auf viele verschiedene Arten, z. B. über Tastatur und Maus, Touchscreen-Schnittstellen oder mit Spracherkennungssystemen. Die am weitesten verbreitete Art der Interaktion mit Personalcomputern ist die grafische Benutzeroberfläche (GUI). Bei einer GUI werden Anweisungen per Mausklick und über menügesteuerte Interaktionen erteilt.

Während die visuelle Hilfe einer grafischen Benutzeroberfläche das Erlernen intuitiv macht, lässt sich diese Art der Übermittlung von Anweisungen an einen Computer nur sehr schlecht skalieren. Stellen Sie sich folgende Aufgabe vor: Für eine Literaturrecherche müssen Sie die dritte Zeile von eintausend Textdateien in eintausend verschiedenen Verzeichnissen kopieren und in eine einzige Datei einfügen. Mit einer grafischen Benutzeroberfläche würden Sie nicht nur stundenlang an Ihrem Schreibtisch herumklicken, sondern möglicherweise auch einen Fehler bei der Erledigung dieser sich wiederholenden Aufgabe begehen. An dieser Stelle kommt die Unix-Shell zum Einsatz. Die Unix-Shell ist sowohl eine Befehlszeilenschnittstelle (CLI) als auch eine Skriptsprache, mit der solche sich wiederholenden Aufgaben automatisch und schnell erledigt werden können. Mit den richtigen Befehlen kann die Shell Aufgaben mit oder ohne Änderungen so oft wiederholen, wie wir wollen. Mit der Shell kann die Aufgabe im Literaturbeispiel in Sekundenschnelle erledigt werden.

Die Shell

Die Shell ist ein Programm, in das Benutzer Befehle eingeben können. Mit der Shell ist es möglich, komplizierte Programme wie Klimamodellierungssoftware aufzurufen oder einfache Befehle, die ein leeres Verzeichnis mit nur einer Zeile Code erstellen. Die populärste Unix-Shell ist Bash (die Bourne Again SHell — so genannt, weil sie von einer Shell abgeleitet ist, die von Stephen Bourne geschrieben wurde). Bash ist die Standard-Shell in den meisten modernen Unix-Implementierungen und in den meisten Paketen, die Unix-ähnliche Werkzeuge für Windows bereitstellen. Beachten Sie, dass “Git Bash” eine Software ist, die es Windows-Benutzern ermöglicht, eine Bash-ähnliche Schnittstelle für die Interaktion mit Git zu verwenden.

Die Verwendung der Shell erfordert einige Mühe und Zeit, um sie zu erlernen. Während eine grafische Benutzeroberfläche (GUI) Ihnen Auswahlmöglichkeiten bietet, werden diese bei der Befehlszeilenschnittstelle (CLI) nicht automatisch angeboten, so dass Sie einige Befehle wie neue Vokabeln in einer Sprache, die Sie lernen, lernen müssen. Anders als bei einer gesprochenen Sprache reicht jedoch eine kleine Anzahl von “Wörtern” (d. h. Befehlen) aus, um weit zu kommen, und wir werden uns heute mit diesen wenigen wichtigen Wörtern beschäftigen.

Die Grammatik einer Shell ermöglicht es Ihnen, vorhandene Tools zu leistungsfähigen Pipelines zu kombinieren und große Datenmengen automatisch zu verarbeiten. Sequenzen von Befehlen können in ein Skript geschrieben werden, was die Reproduzierbarkeit von Arbeitsabläufen verbessert.

Darüber hinaus ist die Kommandozeile oft die einfachste Möglichkeit, mit entfernten Rechnern und Supercomputern zu interagieren. Die Vertrautheit mit der Shell ist nahezu unverzichtbar, um eine Vielzahl von spezialisierten Tools und Ressourcen, einschließlich Hochleistungscomputersystemen, zu nutzen. Da Cluster und Cloud-Computing-Systeme für die wissenschaftliche Datenverarbeitung immer beliebter werden, wird die Fähigkeit, mit der Shell zu interagieren, zu einer notwendigen Fähigkeit. Wir können auf den hier behandelten Kommandozeilenfähigkeiten aufbauen, um eine breite Palette wissenschaftlicher Fragen und rechnerischer Herausforderungen anzugehen.

Fangen wir an.

Wenn die Shell zum ersten Mal geöffnet wird, erscheint ein Prompt, das anzeigt, dass die Shell auf Eingaben wartet.

BASH

$

Die Shell verwendet normalerweise $ als Eingabeaufforderung, kann aber auch ein anderes Symbol verwenden. In den Beispielen dieser Lektion zeigen wir den Prompt als $. Am wichtigsten ist, dass Sie nicht den Prompt eingeben, wenn Sie Befehle eingeben. Geben Sie nur den Befehl ein, der auf die Eingabeaufforderung folgt. Diese Regel gilt sowohl in dieser Lektion als auch in Lektionen aus anderen Quellen. Beachten Sie auch, dass Sie, nachdem Sie einen Befehl eingegeben haben, die Eingabetaste drücken müssen, um ihn auszuführen.

Auf die Eingabeaufforderung folgt ein Textcursor, ein Zeichen, das die Position angibt, an der Ihre Eingaben erscheinen werden. Der Cursor ist normalerweise ein blinkender oder fester Block, kann aber auch ein Unterstrich oder eine Pipe sein. Sie haben ihn vielleicht schon einmal in einem Texteditor-Programm gesehen, zum Beispiel

Beachten Sie, dass Ihre Eingabeaufforderung ein wenig anders aussehen könnte. Insbesondere setzen die meisten gängigen Shell-Umgebungen standardmäßig Ihren Benutzernamen und den Rechnernamen vor das $. Eine solche Eingabeaufforderung könnte z.B. so aussehen:

BASH

nelle@localhost $

Die Eingabeaufforderung kann sogar noch mehr als das enthalten. Machen Sie sich keine Sorgen, wenn Ihr Prompt nicht nur aus einem kurzen $ besteht. Diese Lektion hängt nicht von diesen zusätzlichen Informationen ab, und sie sollten Ihnen auch nicht im Weg stehen. Der einzige wichtige Punkt, auf den Sie sich konzentrieren sollten, ist das Zeichen $ selbst, und wir werden später sehen, warum.

Versuchen wir es also mit unserem ersten Befehl, ls, was kurz für listing (also “auflisten”) ist. Dieser Befehl listet den Inhalt des aktuellen Verzeichnisses auf:

BASH

$ ls

AUSGABE

Desktop     Downloads   Movies      Pictures
Documents   Library     Music       Public

Wichtig

Befehl nicht gefunden

Wenn die Shell kein Programm finden kann, dessen Name dem von Ihnen eingegebenen Befehl entspricht, gibt sie eine Fehlermeldung aus, z. B:

BASH

$ ks

AUSGABE

ks: command not found

Dies kann passieren, wenn der Befehl falsch eingegeben wurde oder wenn das entsprechende Programm nicht installiert ist.

Nelle’s Pipeline: Ein typisches Problem

---

Nelle Nemo, eine Meeresbiologin, ist gerade von einer sechsmonatigen Untersuchung des Nordpazifischen Wirbels zurückgekehrt, wo sie Proben von gallertartigen Meereslebewesen im Great Pacific Garbage Patch genommen hat. Sie hat 1520 Proben, die sie durch ein Testgerät laufen ließ, um die relative Häufigkeit von 300 Proteinen zu messen. Sie muss diese 1520 Dateien durch ein imaginäres Programm namens goostats.sh laufen lassen. Zusätzlich zu dieser riesigen Aufgabe muss sie die Ergebnisse bis Ende des Monats aufschreiben, damit ihr Artikel in einer Sonderausgabe der Aquatic Goo Letters erscheinen kann.

Wenn Nelle sich dafür entscheidet, goostats.sh von Hand über eine grafische Benutzeroberfläche auszuführen, muss sie eine Datei 1520 Mal auswählen und öffnen. Wenn goostats.sh 30 Sekunden braucht, um jede Datei auszuführen, wird der gesamte Prozess mehr als 12 Stunden von Nelles Aufmerksamkeit in Anspruch nehmen. Mit der Shell kann Nelle stattdessen ihrem Computer diese banale Aufgabe übertragen, während sie sich auf das Schreiben ihrer Arbeit konzentriert.

In den nächsten Lektionen wird untersucht, wie Nelle dies erreichen kann. Genauer gesagt, wird in den Lektionen erklärt, wie sie eine Befehlsshell verwenden kann, um das Programm goostats.sh auszuführen, wobei Schleifen verwendet werden, um die sich wiederholenden Schritte der Eingabe von Dateinamen zu automatisieren, so dass ihr Computer arbeiten kann, während sie ihre Arbeit schreibt.

Wenn sie einmal eine Verarbeitungspipeline zusammengestellt hat, kann sie diese bei jeder weiteren Datenerfassung wieder verwenden.

Um ihre Aufgabe zu erfüllen, muss Nelle wissen, wie man:

• zu einer Datei/Verzeichnis navigieren
• Erstellen einer Datei/eines Verzeichnisses
• Prüfen der Länge einer Datei
• Befehle aneinanderreihen
• Abrufen einer Reihe von Dateien
• Iteration über Dateien
• ein Shell-Skript ausführen, das ihre Pipeline enthält

Hauptpunkte

• Eine Shell ist ein Programm, dessen Hauptzweck darin besteht, Befehle zu lesen und andere Programme auszuführen.
• Diese Lektion verwendet Bash, die Standard-Shell in vielen Unix-Implementierungen.
• Programme können in der Bash durch Eingabe von Befehlen an der Eingabeaufforderung ausgeführt werden.
• Die Hauptvorteile der Shell sind ihr hohes Verhältnis von ausgeführten Aktionen zu Tasteneingaben, ihre Unterstützung bei der Automatisierung wiederkehrender Aufgaben und ihre Fähigkeit, auf vernetzte Rechner zuzugreifen.
• Eine große Herausforderung bei der Verwendung der Shell kann darin bestehen, zu wissen, welche Befehle ausgeführt werden müssen und wie sie auszuführen sind.