# 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。

```bash
$ set -o noglob
# 或者
$ set -f
```

下面的命令可以重新打开扩展。

```bash
$ 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。

```bash
$ 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。

```bash
# 进入 /home/me/foo 目录
$ cd ~/foo
```

`~user`表示扩展成用户`user`的主目录。

```bash
$ 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。

```bash
$ echo ~nonExistedUser
~nonExistedUser
```

`~+`会扩展成当前所在的目录，等同于`pwd`命令。

```bash
$ 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。

```bash
# 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。

```bash
# 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。

```bash
# 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。

```bash
# 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。

```bash
$ ls *
```

`*`可以匹配空字符，下面是一个例子。

```bash
# 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`.*`。

```bash
# 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`.[!.]*`。

```bash
$ 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。

```bash
# 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。

```bash
# 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。

```bash
# 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。

```bash
# 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。

```bash
# 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]`。

```bash
# 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。

```bash
$ 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`。

```bash
$ 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。

```bash
$ 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。

```bash
$ 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。

```bash
$ cp a.log{,.bak}

# 等同于
# cp a.log a.log.bak
```

大括号可以嵌套。

```bash
$ 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。

```bash
$ 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）。

```bash
$ 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。

```bash
# 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。

```bash
$ 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。

```bash
$ 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。

```bash
$ echo {a1..3c}
{a1..3c}
```

这种简写形式可以嵌套使用，形成复杂的扩展。

```bash
$ 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。

```bash
$ 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。

```bash
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`。

```bash
$ 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。

```bash
$ 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。

```bash
$ 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。

```bash
$ echo $SHELL
/bin/bash
```

变量名除了放在美元符号后面，也可以放在`${}`里面。

```bash
$ echo ${SHELL}
/bin/bash
```

`${!string*}`或`${!string@}`返回所有匹配给定字符串`string`的变量名。

```bash
$ 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。

```bash
$ 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。

```bash
$ 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。

```bash
$ 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。

```bash
$ 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。

```bash
$ 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。

```bash
# 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。

```bash
$ 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。

```bash
# 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。

```bash
$ 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。

```bash
$ 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。

```bash
$ 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。

```bash
$ shopt extglob
extglob        	on
```

如果`extglob`参数是关闭的，可以用下面的命令打开。

```bash
$ 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。

```bash
$ ls abc?(.)txt
abctxt abc.txt
```

上面例子中，`?(.)`匹配零个或一个点。

```bash
$ ls abc?(def)
abc abcdef
```

上面例子中，`?(def)`匹配零个或一个`def`。

```bash
$ 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。

```bash
$ 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。

```bash
$ 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。

```bash
# 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。

```bash
# 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。

```bash
$ ls *
abc.txt
```

打开`dotglob`，就会包括隐藏文件。

```bash
$ 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。

```bash
$ 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。

```bash
$ 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。

```bash
$ 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。

```bash
$ 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。

```bash
$ shopt -u extglob
```

**（5）nocaseglob 参数**

`nocaseglob`参数可以让通配符扩展不区分大小写。

```bash
$ 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。

```bash
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。

```bash
$ 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。

```bash
$ shopt -s globstar
$ ls **/*.txt
a.txt  sub1/b.txt  sub1/sub2/c.txt
```

## 参考链接

- [Think You Understand Wildcards? Think Again](https://medium.com/@leedowthwaite/why-most-people-only-think-they-understand-wildcards-63bb9c2024ab)
- [Advanced Wildcard Patterns Most People Don’t Know](https://appcodelabs.com/advanced-wildcard-patterns-most-people-dont-know)