运维-Shell与Bash与POSIX与Linux间的关系

shell是什么？

Shell的英语翻译是“壳”，其作用也跟名字差不多，为操作系统套个壳，人与操作系统的壳交互。与壳相对应的则是操作系统内核，一个“壳”一个“核”。核从1970年代开始就基本定型了，没什么大的改变，而壳则不断演变迭代，已经跟当初的壳大不相同。核在70年代以后就没什么大发展的根本原因在于，核是负责操控计算机硬件的，从冯诺依曼结构以后，计算机结构就没什么大的改变，操作系统核心自然也没什么大改变。
在远古40年代真空管时期，人与计算机的交互是通过传入程序打孔纸带，也没有shell的概念，如果硬要说shell的话，可能负责装填打孔纸带的计算机管理员就是shell哈哈哈哈。
再后来50年代有了晶体管，CPU速度高于IO，出现了中断机制和调度程序并在60年代演变成操作系统，人们需要与操作系统进行交互，人们提出了shell的概念，并在Multics操作系统（Unix的前身）中实现了出来，称为Multics shell。

这个“人们”指的是路易斯·普赞
注意，shell是操作系统中的一层，是一个概念，并不是指专门的一个工具，实现了该功能的工具都可以称为shell。

后面Unix之父Thompson参考Multics shell实现了第一个Unix shell：Thompson shell

总而言之，我们给shell下个定义就是：shell是一种计算机程序，它接受命令，解释命令，并将命令传递给操作系统进行处理。

注意，终端terminal和shell不是一个概念，二者也不是一个东西，terminal是终端，用于接受用户输入转变为指令序列，并展示shell输出。他们之间的关系是：terminal连接shell，shell调用操作系统接口，shell只负责执行指令，输出结果，并不保存过往结果。保存过往运行结果，复制粘贴，将组合快捷键转变成控制指令，将箭头等输入转变成控制指令等功能都是由terminal负责的。为什么会有terminal，因为在上古时期，是真的有物理终端的，物理意义上的terminal，例如电传打字机(Teletype)，shell只负责接受输入并处理。另外还有Console控制台的概念，也是从上古时期物理控制台继承过来的，在上古时期，真的是有物理意义上的控制台的，是比终端权限更高一级的与计算机交互的设备，一般都在机房计算机本体上，由计算机管理员负责。
随着计算机技术的进步，PC的体积变得很小，终端，控制台合二为一都被融合到了PC里面，现在 Console 与 Terminal 基本被看作是同义词。人们与电脑交互依旧是通过终端来进行，早期终端称为文本终端，只能显示文字，后期的终端称为图形终端，可以接受图像输入并输出图像，这也是显示器和GUI的前身。后来随着科技发展，终端被键盘和显示器取代。
再随着GUI的到来，人们开始更多使用GUI交互【GUI也可以看作是Shell的一种实现】，但是还是有一部分人有CLI命令行交互的需求。所以终端模拟器 terminal emulator出现了，缩写tty【继承于打字机teletype】，没错，就是Linux中的tty，Linux默认有7个tty，1~6是全屏终端，7是图形化终端。注意，现代的显示器是为GUI设计的，即使是没有图形界面的终端，也不过是终端模拟器模拟出来的罢了，不过完全没有图形界面的全屏终端是由操作系统提供的，而桌面系统中的terminal window是由专门的终端模拟器提供的，例如gnome-terminal。不过目前大家已经不称terminal emulator而直接称terminal了。
当代Linux下的大致架构，关于TTY的讲解可以看这里

再往后随着Linux和GNU的发展，shell的发展就五花八门开枝散叶了。
开枝散叶遇见的一个问题就是如何统一？如果不同shell实现的功能不同，操作不同，语法不同，那还怎么玩？这不光是Shell的问题，操作系统也有这个问题，Unix下的各种分支，如果各自的操作系统调用各不相同，还怎么玩？这就引出了下面的POSIX。

POSIX是什么

可移植操作系统接口（英语：Portable Operating System Interface，缩写为POSIX）是IEEE为要在各种UNIX操作系统上运行软件，而定义API的一系列互相关联的标准的总称，其正式称呼为IEEE Std 1003，而国际标准名称为ISO/IEC 9945。此标准源于一个大约开始于1985年的项目。POSIX这个名称是由理查德·斯托曼（RMS）应IEEE的要求而提议的一个易于记忆的名称，由POSI和X组成，X则表明其对Unix API的传承。
当前的POSIX主要分为以下部分：

• 核心服务
• 兼容测试
• 系统调用
• 命令和工具：其中就包括了对于shell的要求
• 实时扩展：包括优先级调度、实时信号、时钟和定时器、信号量、消息传递、共享内存、异步和同步 I/O、内存锁。
• 线程扩展：包括线程创建和控制、线程调度、线程同步、信号处理。

我们常见的IEEE标准是指由IEEE标准协会制定的标准，IEEE标准协会(IEEE-SA)是电气和电子工程师协会（IEEE）下辖的标准制定机构，其标准制定内容涵盖信息技术、通信、电力和能源等多个领域，已制定了900多个现行工业标准，另有400多项标准正在制定过程中。我见过的的IEEE标准有：IEEE754浮点运算标准，IEEE1003操作系统接口标准。
标准化是一个行业发展到一定程度的必然现象，我们常见的ISO，GB，IEEE等标准的关系可以看这个回答

Linux大致是实现了POSIX的要求，但是没有参加POSIX认证，Linux自己的标准叫做LSB。

Bash vs Zsh vs fish？

Bash，Zsh，fish这几种，都是shell，Bash是目前系统中常见的内置默认shell，Zsh相较于bash有一些改进，可玩性更高，搭配oh my zsh，可以构造出更加适合自己的shell，fish是05年才发布的shell，主打一个开箱即用。bash主打简单通用，zsh主打想用什么自己配，fish主打默认就够好用，弱化个人配置起到的影响。
需要注意的一点是，不同的shell他们各自的配置文件是不同的，所以在配置文件中配置的环境变量是不通用的，有时候编译一些库或者工具的时候，这些库会自动配置环境变量到当下的shell中。如果想要在zsh中使用bash的环境变量，可以在.zshrc文件最后加上一行代码：

source ~/.bashrc

同理，在bash下用zsh的环境变量就是

source ~/.zshrc

Linux vs Unix？

Unix是贝尔实验室开发的，目前由Open Group持有商标，所有通过Open Group认证的系统都可以称为Unix操作系统。
Linux最初是由Linus开发的，后续转由社区进行开发，Linus是主要的代码审核者，Linux只是一个操作系统内核，Linux中使用的配套软件有很大一部分是由GNU项目开发的。

Linux发行版本的发展分支

Unix发展分支

Linux的标准 vs Unix标准

Linux的标准是LSB，以 POSIX 和 SUS 标准为基础，并对其他领域（例如图形）中源代码的一些标准进行了扩充，还增加了对二进制可执行文件格式规范的定义，从而试图确保 Linux 上应用程序源码和二进制文件的兼容性，目前最新的LSB标准是15年3月发布的5.0版本，而15年Debin和Ubuntu已经宣布不支持LSB标准。

这都过去9年了，也没见新的LSB版本，是发生了什么吗？

Unix的标准是POSIX和SUS，SUS是POSIX的扩展，在2001年后二者趋于一致，只有经过SUS标准认证的系统才称为Unix。
相较于POSIX，LSB还制定了制定了应用程序与运行环境之间的二进制接口，基于以下的标准：

• Single UNIX Specification（SUS）
• System V Interface Definition（SVID）
• compilers for the Intel Itanium processor
• C++ ABI
• System V Application Binary Interface（ABI）

ABI应用程序二进制接口，描述了应用程序和操作系统之间，一个应用和它的库之间，或者应用的组成部分之间的低接口。要理解ABI统一的重要性，我们要从软件是如何跨平台说起。

一个软件在操作系统上运行，经常会进行两种调用：

• 编程语言库调用：即调用标准库或第三方库，一般库函数都是以lib文件+头文件存储，lib文件中包含了库函数实现，头文件中包含了相应的接口。glibc 是 Linux 下使用的开源的标准 C 库，它是 GNU 发布的 libc 库，即运行时库。这些基本函数都是被标准化了的，而且这些函数通常都是用汇编直接实现的。
• 操作系统调用：系统调用是通向操作系统本身的接口，是面向底层硬件的。通过系统调用，可以使得用户态运行的进程与硬件设备(如CPU、磁盘、打印机等)进行交互，是操作系统留给应用程序的一个接口。

跨平台两种程度：

• 源码级跨平台，即同一套源码，可以在不同的平台上编译运行。
• 二进制级跨平台，即编译出来一套二进制代码，可以在不同平台上运行。

二进制跨平台第一点需要的是可执行程序格式相同【虽然都是二进制文件，但是其中一些附加信息还是不一样的】：

• Window：PE-COFF
• Unix/Linux： Executable and Linkable Format (ELF)
• MacOS：MACH-O

所以一般情况下对于MacOS和Window这俩兄弟和其他的基本不用考虑二进制跨平台，但是对于Linux和Unix下可以尝试二进制跨平台。
第二点是需要ABI相同：严格来说，ABI并不是完全操作系统需要考虑的事情，更多是编程语言需要考虑的事情，只不过LSB把这件事情也写进了标准，尽量做到在Linux的世界一次编译到处通用。

ABI的统一需要考虑非常多的内容，对于C语言来说，需要考虑：

• 内置类型的存储方式：字节大小，字节序，对齐方式等
• 组合类型的存储方式：内存分布等
• 外部符号(external-linkage）与用户定义的符号之间的命名方式和解析方式，如函数名func在C语言的目标文件中是否被解析成外部符号_func。
• 函数调用方式，比如参数入栈顺序、返回值如何保持等。
• 堆栈的分布方式，比如参数和局部变量在堆栈里的位置，参数传递方法等。寄存器使用约定，函数调用时哪些寄存器可以修改，哪些须要保存，等等。

对于C++，要求则更多，除上面的以外，还需要考虑：

• 继承类体系的内存分布，如基类，虚基类在继承类中的位置等。
• 指向成员函数的指针( pointer-to-member）的内存分布，如何通过指向成员函数的- 指针来调用成员函数，如何传递this 指针。
• 如何调用虚函数，vtable的内容和分布形式，vtable指针在 object 中的位置等。template 如何实例化。
• 外部符号的修饰。
• 全局对象的构造和析构。
• 异常的产生和捕获机制。
• 标准库的细节问题，RTTI 如何实现等。
• 内嵌函数访问细节。

这些问题都是需要编译器考虑的，而不是操作系统需要考虑的。ABI不统一的问题也不光体现在不能跨平台，因为不同的编译器间的ABI都不统一，甚至相同的编译器不同的版本ABI都不统一，这会导致编译出来的库文件只能在对应的编译器版本下使用，对于C++，主要的ABI有两种，一种是微软自家的ABI，另一种是Intel的Itanium C++ ABI，二者不互通，但是在LSB和System V ABI的限制下，在Linux和Unix下基本已经统一了C++的ABI，但也只是基本统一。而且ABI的统一也并不代表可以完全进行二进制跨平台。

终于理清这几个概念之间的区别和联系了！如果觉得有帮助，欢迎点赞收藏+关注，thanks！