Bash 的模式扩展
简介
Shell 接收到用户输入的命令以后，会根据空格将用户的输入，拆分成一个个词元（token）。然后，Shell 会扩展词元里面的特殊字符，扩展完成后才会调用相应的命令。
这种特殊字符的扩展，称为模式扩展（globbing）。其中有些用到通配符，又称为通配符扩展（wildcard expansion）。Bash 一共提供八种扩展。
- 波浪线扩展
?字符扩展*字符扩展- 方括号扩展
- 大括号扩展
- 变量扩展
- 子命令扩展
- 算术扩展
本章介绍这八种扩展。
Bash 是先进行扩展，再执行命令。因此，扩展的结果是由 Bash 负责的，与所要执行的命令无关。命令本身并不存在参数扩展，收到什么参数就原样执行。这一点务必需要记住。
模块扩展的英文单词是globbing，这个词来自于早期的 Unix 系统有一个/etc/glob文件，保存扩展的模板。后来 Bash 内置了这个功能，但是这个名字就保留了下来。
模式扩展与正则表达式的关系是，模式扩展早于正则表达式出现，可以看作是原始的正则表达式。它的功能没有正则那么强 大灵活，但是优点是简单和方便。
Bash 允许用户关闭扩展。
$ set -o noglob
# 或者
$ set -f
下面的命令可以重新打开扩展。
$ set +o noglob
# 或者
$ set +f
波浪线扩展
波浪线~会自动扩展成当前用户的主目录。
$ echo ~
/home/me
~/dir表示扩展成主目录的某个子目录，dir是主目录里面的一个子目录名。
# 进入 /home/me/foo 目录
$ cd ~/foo
~user表示扩展成用户user的主目录。
$ echo ~foo
/home/foo
$ echo ~root
/root
上面例子中，Bash 会根据波浪号后面的用户名，返回该用户的主目录。
如果~user的user是不存在的用户名，则波浪号扩展不起作用。
$ echo ~nonExistedUser
~nonExistedUser
~+会扩展成当前所在的目录，等同于pwd命令。
$ cd ~/foo
$ echo ~+
/home/me/foo
? 字符扩展
?字符代表文件路径里面的任意单个字符，不包括空字符。比如，Data???匹配所有Data后面跟着三个字符的文件名。
# 存在文件 a.txt 和 b.txt
$ ls ?.txt
a.txt b.txt
上面命令中，?表示单个字符，所以会同时匹配a.txt和b.txt。
如果匹配多个字符，就需要多个?连用。
# 存在文件 a.txt、b.txt 和 ab.txt
$ ls ??.txt
ab.txt
上面命令中，??匹配了两个字符。
? 字符扩展属于文件名扩展，只有文件确实存在的前提下，才会发生扩展。如果文件不存在，扩展就不会发生。
# 当前目录有 a.txt 文件
$ echo ?.txt
a.txt
# 当前目录为空目录
$ echo ?.txt
?.txt
上面例子中，如果?.txt可以扩展成文件名，echo命令会输出扩展后的结果；如果不能扩展成文件名，echo就会原样输出?.txt。
* 字符扩展
*字符代表文件路径里面的任意数量的任意字符，包括零个字符。
# 存在文件 a.txt、b.txt 和 ab.txt
$ ls *.txt
a.txt b.txt ab.txt
上面例子中，*.txt代表后缀名为.txt的所有文件。
如果想输出当前目录的所有文件，直接用*即可。
$ ls *
*可以匹配空字符，下面是一个例子。
# 存在文件 a.txt、b.txt 和 ab.txt
$ ls a*.txt
a.txt ab.txt
$ ls *b*
b.txt ab.txt
注意，*不会匹配隐藏文件（以.开头的文件），即ls *不会输出隐藏文件。
如果要匹配隐藏文件，需要写成.*。
# 显示所有隐藏文件
$ echo .*
如果要匹配隐藏文件，同时要排除.和..这两个特殊的隐藏文件，可以与方括号扩展结合使用，写成.[!.]*。
$ echo .[!.]*
注意，*字符扩展属于文件名扩展，只有文件确实存在的前提下才会扩展。如果文件不存在，就会原样输出。
# 当前目录不存在 c 开头的文件
$ echo c*.txt
c*.txt
上面例子中，当前目录里面没有c开头的文件，导致c*.txt会 原样输出。
*只匹配当前目录，不会匹配子目录。
# 子目录有一个 a.txt
# 无效的写法
$ ls *.txt
# 有效的写法
$ ls */*.txt
上面的例子，文本文件在子目录，*.txt不会产生匹配，必须写成*/*.txt。有几层子目录，就必须写几层星号。
Bash 4.0 引入了一个参数globstar，当该参数打开时，允许**匹配零个或多个子目录。因此，**/*.txt可以匹配顶层的文本文件和任意深度子目录的文本文件。详细介绍请看后面shopt命令的介绍。
方括号扩展
方括号扩展的形式是[...]，只有文件确实存在的前提下才会扩展。如果文件不存在，就会原样输出。括号之中的任意一个字符。比如，[aeiou]可以匹配五个元音字母中的任意一个。
# 存在文件 a.txt 和 b.txt
$ ls [ab].txt
a.txt b.txt
# 只存在文件 a.txt
$ ls [ab].txt
a.txt
上面例子中，[ab]可以匹配a或b，前提是确实存在相应的文件。
方括号扩展属于文件名匹配，即扩展后的结果必须符合现有的文件路径。如果不存在匹配，就会保持原样，不进行扩展。
# 不存在文件 a.txt 和 b.txt
$ ls [ab].txt
ls: 无法访问'[ab].txt': 没有那个文件或目录
上面例子中，由于扩展后的文件不存在，[ab].txt就原样输出了，导致ls命名报错。
方括号扩展还有两种变体：[^...]和[!...]。它们表示匹配不在方括号里面的字符，这两种写法是等价的。比如，[^abc]或[!abc]表示匹配除了a、b、c以外的字符。
# 存在 aaa、bbb、aba 三个文件
$ ls ?[!a]?
aba bbb
上面命令中，[!a]表示文件名第二个字符不是a的文件名，所以返回了aba和bbb两个文件。
注意，如果需要匹配[字符，可以放在方括号内，比如[[aeiou]。如果需要匹配连字号-，只能放在方括号内部的开头或结尾，比如[-aeiou]或[aeiou-]。
[start-end] 扩展
方括号扩展有一个简写形式[start-end]，表示匹配一个连续的范围。比如，[a-c]等同于[abc]，[0-9]匹配[0123456789]。
# 存在文件 a.txt、b.txt 和 c.txt
$ ls [a-c].txt
a.txt
b.txt
c.txt
# 存在文件 report1.txt、report2.txt 和 report3.txt
$ ls report[0-9].txt
report1.txt
report2.txt
report3.txt
...
下面是一些常用简写的例子。
[a-z]：所有小写字母。[a-zA-Z]：所有小写字母与大写字母。[a-zA-Z0-9]：所有小写字母、大写字母与数字。[abc]*：所有以a、b、c字符之一开头的文件名。program.[co]：文件program.c与文件program.o。BACKUP.[0-9][0-9][0-9]：所有以BACKUP.开头，后面是三个数字的文件名。
这种简写形式有一个否定形式[!start-end]，表示匹配不属于这个范围的字符。比如，[!a-zA-Z]表示匹配非英文字母的字符。
$ ls report[!1–3].txt
report4.txt report5.txt
上面代码中，[!1-3]表示排除 1、2 和 3。
大括号扩展
大括号扩展{...}表示分别扩展成大括号里面的所有值，各个值之间使用逗号分隔。比如，{1,2,3}扩展成1 2 3。
$ echo {1,2,3}
1 2 3
$ echo d{a,e,i,u,o}g
dag deg dig dug dog
$ echo Front-{A,B,C}-Back
Front-A-Back Front-B-Back Front-C-Back
注意，大括号扩展不是文件名扩展。它会扩展成所有给定的值，而不管是否有对应的文件存在。
$ ls {a,b,c}.txt
ls: 无法访问'a.txt': 没有那个文件或目录
ls: 无法访问'b.txt': 没有那个文件或目录
ls: 无法访问'c.txt': 没有那个文件或目录
上面例子中，即使不存在对应的文件，{a,b,c}依然扩展成三个文件名，导致ls命令报了三个错误。
另一个需要注意的地方是，大括号内部的逗号前后不能有空格。否则，大括号扩展会失效。
$ echo {1 , 2}
{1 , 2}
上面例子中，逗号前后有空格，Bash 就会认为这不是大括号扩展，而是三个独立的参数。
逗号前面可以没有值，表示扩展的第一项为空。
$ cp a.log{,.bak}
# 等同于
# cp a.log a.log.bak
大括号可以嵌套。
$ echo {j{p,pe}g,png}
jpg jpeg png
$ echo a{A{1,2},B{3,4}}b
aA1b aA2b aB3b aB4b
大括号也可以与其他模式联用，并且总是先于其他模式进行扩展。
$ echo /bin/{cat,b*}
/bin/cat /bin/b2sum /bin/base32 /bin/base64 ... ...
# 基本等同于
$ echo /bin/cat;echo /bin/b*
上面例子中，会先进行大括号扩展，然后进行*扩展，等同于执行两条echo命令。
大括号可以用于多字符的模式，方括号不行（只能匹配单字符）。
$ echo {cat,dog}
cat dog
由于大括号扩展{...}不是文件名扩展，所以它总是会扩展的。这与方括号扩展[...]完全不同，如果匹配的文件不存在，方括号就不会扩展。这一点要注意区分。
# 不存在 a.txt 和 b.txt
$ echo [ab].txt
[ab].txt
$ echo {a,b}.txt
a.txt b.txt
上面例子中，如果不存在a.txt和b.txt，那么[ab].txt就会变成一个普通的文件名，而{a,b}.txt可以照样扩展。
{start..end} 扩展
大括号扩展有一个简写形式{start..end}，表示扩展成一个连续序列。比如，{a..z}可以扩展成 26 个小写英文字母。
$ echo {a..c}
a b c
$ echo d{a..d}g
dag dbg dcg ddg
$ echo {1..4}
1 2 3 4
$ echo Number_{1..5}
Number_1 Number_2 Number_3 Number_4 Number_5
这种简写形式支持逆序。
$ echo {c..a}
c b a
$ echo {5..1}
5 4 3 2 1
注意，如果遇到无法理解的简写，大括号模式就会原样输出，不会扩展。
$ echo {a1..3c}
{a1..3c}
这种简写形式可以嵌套使用，形成复杂的扩展。
$ echo .{mp{3..4},m4{a,b,p,v}}
.mp3 .mp4 .m4a .m4b .m4p .m4v
大括号扩展的常见用途为新建一系列目录。
$ mkdir {2007..2009}-{01..12}
上面命令会新建 36 个子目录，每个子目录的名字都是”年份 - 月份“。
这个写法的另一个常见用途，是直接用于for循环。
for i in {1..4}
do
echo $i
done
上面例子会循环 4 次。
如果整数前面有前导0，扩展输出的每一项都有前导0。
$ echo {01..5}
01 02 03 04 05
$ echo {001..5}
001 002 003 004 005
这种简写形式还可以使用第二个双点号（start..end..step），用来指定扩展的步长。
$ echo {0..8..2}
0 2 4 6 8
上面代码将0扩展到8，每次递增的长度为2，所以一共输出 5 个数字。
多个简写形式连用，会有循环处理的效果。
$ echo {a..c}{1..3}
a1 a2 a3 b1 b2 b3 c1 c2 c3
变量扩展
Bash 将美元符号$开头的词元视为变量，将其扩展成变量值，详见《Bash 变量》一章。
$ echo $SHELL
/bin/bash
变量名除了放在美元符号后面，也可以放在${}里面。
$ echo ${SHELL}
/bin/bash
${!string*}或${!string@}返回所有匹配给定字符串string的变量名。
$ echo ${!S*}
SECONDS SHELL SHELLOPTS SHLVL SSH_AGENT_PID SSH_AUTH_SOCK
上面例子中，${!S*}扩展成所有以S开头的变量名。
子命令扩展
$(...)可以扩展成另一个命令的运行结果，该命令的所有输出都会作为返回值。
$ echo $(date)
Tue Jan 28 00:01:13 CST 2020
上面例子中，$(date)返回date命令的运行结果。
还有另一种较老的语法，子命令放在反引号之中，也可以扩展成命令的运行结果。
$ echo `date`
Tue Jan 28 00:01:13 CST 2020
$(...)可以嵌套，比如$(ls $(pwd))。
算术扩展
$((...))可以扩展成整数运算的结果，详见《Bash 的算术运算》一章。
$ echo $((2 + 2))
4
字符类
[[:class:]]表示一个字符类，扩展成某一类特定字符之中的一个。常用的字符类如下。
[[:alnum:]]：匹配任意英文字母与数字[[:alpha:]]：匹配任意英文字母[[:blank:]]：空格和 Tab 键。[[:cntrl:]]：ASCII 码 0-31 的不可打印字符。[[:digit:]]：匹配任意数字 0-9。[[:graph:]]：A-Z、a-z、0-9 和标点符号。[[:lower:]]：匹配任 意小写字母 a-z。[[:print:]]：ASCII 码 32-127 的可打印字符。[[:punct:]]：标点符号（除了 A-Z、a-z、0-9 的可打印字符）。[[:space:]]：空格、Tab、LF（10）、VT（11）、FF（12）、CR（13）。[[:upper:]]：匹配任意大写字母 A-Z。[[:xdigit:]]：16 进制字符（A-F、a-f、0-9）。
请看下面的例子。
$ echo [[:upper:]]*
上面命令输出所有大写字母开头的文件名。
字符类的第一个方括号后面，可以加上感叹号!（或^），表示否定。比如，[![:digit:]](或[^[:digit:]]) 匹配所有非数字。
$ echo [![:digit:]]*
上面命令输出所有不以数字开头的文件名。
字符类也属于文件名扩展，如果没有匹配的文件名，字符类就会原样输出。
# 不存在以大写字母开头的文件
$ echo [[:upper:]]*
[[:upper:]]*
上面例子中，由于没有可匹配的文件，字符类就原样输出了。
使用注意点
通配符有一些使用注意点，不可不知。
（1）通配符是先解释，再执行。
Bash 接收到命令以后，发现里面有通配符，会进行通配符扩展，然后再执行命令。
$ ls a*.txt
ab.txt
上面命令的执行过程是，Bash 先将a*.txt扩展成ab.txt，然后再执行ls ab.txt。
（2）文件名扩展在不匹配时，会原样输出。
文件名扩展在没有可匹配的文件时，会原样输出。
# 不存在 r 开头的文件名
$ echo r*
r*
上面代码中，由于不存在r开头的文件名，r*会原样输出。
下面是另一个例子。
$ ls *.csv
ls: *.csv: No such file or directory
另外，前面已经说过，大括号扩展{...}不是文件名扩展。
（3）只适用于单层路径。
所有文件名扩展只匹配单层路径，不能跨目录匹配，即无法匹配子目录里面的文件。或者说，?或*这样的通配符，不能匹配路径分隔符（/）。
如果要匹配子目录里面的文件，可以写成下面这样。
$ ls */*.txt
Bash 4.0 新增了一个globstar参数，允许**匹配零个或多个子目录，详见后面shopt命令的介绍。
（4）文件名可以使用通配符。
Bash 允许文件名使用通配符，即文件名包括特殊字符。这时引用文件名，需要把文件名放在单引号或双引号里面。
$ touch 'fo*'
$ ls
fo*
上面代码创建了一个fo*文件，这时*就是文件名的一部分。
量词语法
量词语法用来控制模式匹配的次数。它只有在 Bash 的extglob参数打开的情况下才能使用，不过一般是默认打开的。下面的命令可以查询。
$ shopt extglob
extglob on
如果extglob参数是关闭的，可以用下面的命令打开。
$ shopt -s extglob
量词语法有下面几个。
?(pattern-list)：模式匹配零次或一次。*(pattern-list)：模式匹配零次或多次。+(pattern-list)：模式匹配一次或多次。@(pattern-list)：只匹配一次模式。!(pattern-list)：匹配给定模式以外的任何内容。
$ ls abc?(.)txt
abctxt abc.txt
上面例子中，?(.)匹配零个或一个点。
$ ls abc?(def)
abc abcdef
上面例子中，?(def)匹配零个或一个def。
$ ls abc@(.txt|.php)
abc.php abc.txt
上面例子中，@(.txt|.php)匹配文件有且只有一个.txt或.php后缀名。
$ ls abc+(.txt)
abc.txt abc.txt.txt
上面例子中，+(.txt)匹配文件有一个或多个.txt后缀名。
$ ls a!(b).txt
a.txt abb.txt ac.txt
上面例子中，!(b)表示匹配单个字母b以外的任意内容，所以除了ab.txt以外，其他文件名都能匹配。
量词语法也属于文件名扩展，如果不存在可匹配的文件，就会原样输出。
# 没有 abc 开头的文件名
$ ls abc?(def)
ls: 无法访问'abc?(def)': 没有那个文件或目录
上面例子中，由于没有可匹配的文件，abc?(def)就原样输出，导致ls命令报错。
shopt 命令
shopt命令可以调整 Bash 的行为。它有好几个参数跟通配符扩展有关。
shopt命令的使用方法如下。
# 打开某个参数
$ shopt -s [optionname]
# 关闭某个参数
$ shopt -u [optionname]
# 查询某个参数关闭还是打开
$ shopt [optionname]
（1）dotglob 参数
dotglob参数可以让扩展结果包括隐藏文件（即点开头的文件）。
正常情况下，扩展结果不包括隐藏文件。
$ ls *
abc.txt
打开dotglob，就会包括隐藏文件。
$ shopt -s dotglob
$ ls *
abc.txt .config
（2）nullglob 参数
nullglob参数可以让通配符不匹配任何文件名时，返回空字符。
默认情况下，通配符不匹配任何文件名时，会保持不变。
$ rm b*
rm: 无法删除'b*': 没有那个文件或目录
上面例子中，由于当前目录不包括b开头的文件名，导致b*不会发生文件名扩展，保持原样不变，所以rm命令报错没有b*这个文件。
打开nullglob参数，就可以让不匹配的通配符返回空字符串。
$ shopt -s nullglob
$ rm b*
rm: 缺少操作数
上面例子中，由于没有b*匹配的文件名，所以rm b*扩展成了rm，导致报错变成了”缺少操作数“。
（3）failglob 参数
failglob参数使得通配符不匹配任何文件名时，Bash 会直接报错，而不是让各个命令去处理。
$ shopt -s failglob
$ rm b*
bash: 无匹配: b*
上面例子中，打开failglob以后，由于b*不匹配任何文件名，Bash 直接报错了，不再让rm命令去处理。
（4）extglob 参数
extglob参数使得 Bash 支持 ksh 的一些扩展语法。它默认应该是打开的。
$ shopt extglob
extglob on
它的主要应用是支持量词语法。如果不希望支持量词语法，可以用下面的命令关闭。
$ shopt -u extglob
（5）nocaseglob 参数
nocaseglob参数可以让通配符扩展不区分大小写。
$ shopt -s nocaseglob
$ ls /windows/program*
/windows/ProgramData
/windows/Program Files
/windows/Program Files (x86)
上面例子中，打开nocaseglob以后，program*就不区分大小写了，可以匹配ProgramData等。
（6）globstar 参数
globstar参数可以使得**匹配零个或多个子目录。该参数默认是关闭的。
假设有下面的文件结构。
a.txt
sub1/b.txt
sub1/sub2/c.txt
上面的文件结构中，顶层目录、第一级子目录sub1、第二级子目录sub1\sub2里面各有一个文本文件。请问怎样才能使用通配符，将它们显示出来？
默认情况下，只能写成下面这样。
$ ls *.txt */*.txt */*/*.txt
a.txt sub1/b.txt sub1/sub2/c.txt
这是因为*只匹配当前目录，如果要匹配子目录，只能一层层写出来。
打开globstar参数以后，**匹配零个或多个子目录。因此，**/*.txt就可以得到想要的结果。
$ shopt -s globstar
$ ls **/*.txt
a.txt sub1/b.txt sub1/sub2/c.txt