課程總覽 + Shell 入門

我們是誰？

這門課由 Anish、Jon 與 Jose 共同授課。我們都曾是 MIT 的學生，也是在學生時期 創立了這門 MIT IAP 課程。你可以透過 missing-semester@mit.edu 聯絡我們。

我們教這門課沒有領取報酬，也沒有以任何方式營利。我們將所有課程教材 與講座錄影免費公開在線上。 如果你想支持我們，最好的方式就是幫忙分享這門課。如果你是公司、大學或其他機構， 把這些內容用於較大規模的學員，也歡迎來信分享經驗回饋，讓我們知道實際成效 :)

課程動機

身為資訊科學領域的學習者，我們都知道電腦很擅長處理重複工作。 但我們常常忘了：這件事不只適用於「程式要做的運算」，也同樣適用於 「我們自己使用電腦的方式」。其實我們手邊有大量工具，能幫助我們更有效率、 處理更複雜的電腦相關問題。但很多人只用了其中很小一部分；平常只靠死背幾句 「咒語式」指令勉強過關，卡住時就盲目從網路複製貼上。

這門課就是想改善這件事。

我們希望教你把已知工具用到最好、帶你認識更多可加入工具箱的新工具， 也希望培養你主動探索（甚至自己打造）工具的熱情。 我們相信，這正是多數資工課程中缺少的那個學期。

課程結構

這門非學分課由九堂一小時講座組成，每堂聚焦一個特定主題。 各講座大多可獨立學習，但隨課程推進，我們會預設你已熟悉前面講座內容。 我們有提供線上講義，但課堂中某些內容（例如現場 demo）可能不會完整出現在講義裡。 和往年一樣，我們會錄製講座並上傳到 線上平台。

由於要在少數幾堂一小時講座涵蓋很多內容，密度會比較高。 為了讓你能依自己的步調熟悉內容，每堂課都附有一組練習， 幫助你掌握講座重點。我們不會安排固定 office hours， 但很歡迎你在 OSSU Discord 的 #missing-semester-forum 提問，或來信至 missing-semester@mit.edu。

受限於時間，我們無法像完整學期課程那樣，對所有工具做同等深度的講解。 我們會盡量提供延伸資源，幫助你深入某個工具或主題；如果你對某個方向特別有興趣， 也非常歡迎直接聯絡我們請教！

最後，如果你對課程有任何回饋，請寄信到 missing-semester@mit.edu。

主題 1：Shell

什麼是 shell？

現代電腦有很多下指令方式：華麗的圖形介面、語音介面、AR/VR， 到最近的 LLM。這些方式可以滿足大約 80% 的需求，但本質上通常有限制—— 你不能按不存在的按鈕，也不能下尚未被設計好的語音指令。 若要完整發揮電腦提供的能力，我們得回到更底層的文字介面：Shell。

幾乎所有平台都有某種形式的 shell，而且不少平台同時提供多種 shell 可選。 雖然細節不同，但核心概念都很像：讓你執行程式、提供輸入，並以半結構化方式檢視輸出。

要打開 shell 的 prompt（可輸入指令的位置），你先需要 terminal （終端機），也就是 shell 的視覺介面。你的裝置通常已預裝，或可輕鬆自行安裝：

• Linux: 按下 Ctrl + Alt + T（多數發行版都適用），或在應用程式選單搜尋 「Terminal」。
• Windows: 按下 Win + R，輸入 cmd 或 powershell 後按 Enter。 或在開始功能表搜尋「Terminal」或「Command Prompt」。
• macOS: 按下 Cmd + Space 開啟 Spotlight，輸入「Terminal」後按 Enter。 或到 Applications → Utilities → Terminal 開啟。

在 Linux 與 macOS 上，通常會開到 Bourne Again SHell，也就是常說的 「bash」。它是最常見的 shell 之一，語法也和許多其他 shell 相近。 在 Windows 上，則會看到 batch 或 powershell（取決於你執行的指令）。 這兩者屬於 Windows 生態，不是本課重點，雖然我們教的大多概念都有對應做法。 如果你用 Windows，建議改用 Windows Subsystem for Linux 或 Linux 虛擬機。

還有其他 shell，通常在易用性上比 bash 有不少改進（常見像 fish、zsh）。 雖然它們很受歡迎（所有講師也都有在用），但普及度仍不如 bash，且核心概念相通， 所以本講先不聚焦它們。

為什麼你該在意？

Shell 不只是（通常）比「點來點去」更快，它還提供單一圖形工具很難給你的表達力。 你會看到，shell 可以把不同程式有創意地 組合 起來，自動化幾乎任何工作。

熟悉 shell 也非常有助於你在開源軟體世界中行走（許多安裝步驟都需要 shell）、 替專案建置持續整合（如程式碼品質講座所述）， 以及在其他程式出錯時快速除錯。

在 shell 中移動

當你開啟終端機，通常會看到類似這樣的 prompt：

missing:~$

這是 shell 的主要文字介面。它告訴你目前機器名稱是 missing， 而你所在的「目前工作目錄」是 ~（home 的縮寫）。 $ 代表你現在不是 root 使用者（後面會再說）。 在這個提示符號後，你可以輸入 command，由 shell 解譯執行。 最基本的指令就是執行一個程式：

missing:~$ date
Fri 10 Jan 2020 11:49:31 AM EST
missing:~$

這裡我們執行了 date 程式，它會（不意外地）印出目前日期與時間。 接著 shell 會繼續等待你輸入下一個指令。你也可以帶 arguments 來執行指令：

missing:~$ echo hello
hello

這個例子中，我們要求 shell 執行 echo，並傳入參數 hello。 echo 的功能就是把參數印出來。 shell 會先用空白分割整行指令，再把第一個字當成程式名稱， 其餘每個字都作為該程式可讀取的參數。 若你的參數內含空白或特殊字元（例如資料夾名稱 "My Photos"）， 可以用 ' 或 " 把整個參數包起來（"My Photos"）， 或只用 \ 跳脫必要字元（My\ Photos）。

初學時最重要的指令之一是 man（manual 的縮寫）。 man 可讓你查系統中任一指令的更多資訊。 例如執行 man date，會看到 date 的用途與可用參數。 另外，多數指令也支援加 --help 取得較短版說明。

建議除了 man 之外，也安裝並使用 tldr， 它會直接在終端機顯示常見用法範例。LLM 也很擅長解釋指令運作方式， 以及怎麼組合參數達成你的目標。

繼 man 之後，另一個必學指令是 cd（change directory）。 它其實是 shell 的內建指令，不是獨立程式（也就是 which cd 通常會顯示找不到外部執行檔）。你傳入一個路徑後，該路徑就會成為 你的目前工作目錄。你也會在提示符中看到目錄變化：

missing:~$ cd /bin
missing:/bin$ cd /
missing:/$ cd ~
missing:~$

要注意，shell 有自動補完功能，按 <TAB> 常可更快補齊路徑！

很多指令在你沒特別指定時，會以「目前工作目錄」作為操作基準。 若你不確定自己在哪裡，可用 pwd，或印出 $PWD（echo $PWD）； 兩者都會顯示目前工作目錄。

目前工作目錄也讓我們能使用 相對路徑（relative path）。 到目前為止看到的大多是 絕對路徑（absolute path）： 它們以 / 開頭，表示從檔案系統根目錄（/）一路走到目標位置的完整路徑。 實務上你會更常用相對路徑，因為它是相對於目前工作目錄來解讀。 相對路徑（也就是不以 / 開頭）會先在目前目錄找第一層，再照一般規則往下走。例如：

missing:~$ cd /
missing:/$ cd bin
missing:/bin$

每個目錄中還有兩個「特殊路徑元件」：. 和 ..。 . 代表「目前目錄」，.. 代表「上一層目錄」。例如：

missing:~$ cd /
missing:/$ cd bin/../bin/../bin/././../bin/..
missing:/$

在大多數指令參數中，絕對路徑和相對路徑通常都能互換使用； 只要在用相對路徑時，清楚自己當下工作目錄是哪裡就好！

也可以考慮安裝 zoxide 來加速 cd 操作； z 會記住你常去的路徑，讓你用更少輸入快速切換。

Shell 裡有哪些可用工具？

那 shell 到底怎麼知道要去哪裡找 date 或 echo 這些程式？ 當 shell 被要求執行某個指令時，它會查詢名為 $PATH 的 環境變數（environment variable），裡面列出 shell 該去哪些目錄搜尋程式：

missing:~$ echo $PATH
/usr/local/sbin:/usr/local/bin:/usr/sbin:/usr/bin:/sbin:/bin
missing:~$ which echo
/bin/echo
missing:~$ /bin/echo $PATH
/usr/local/sbin:/usr/local/bin:/usr/sbin:/usr/bin:/sbin:/bin

當我們執行 echo 時，shell 會知道要執行名為 echo 的程式， 並到 $PATH 內以 : 分隔的各目錄裡尋找同名檔案。找到後就執行 （前提是該檔案具備可執行權限，後面會提到）。 我們可以用 which 查某個程式名稱實際對應到哪個檔案。 你也可以直接給程式檔案的 路徑（path），完全略過 $PATH。

這也提示了我們如何找出 shell 可執行的 所有 程式： 把 $PATH 裡每個目錄內容列出來。可以用 ls 搭配目錄路徑做到：

missing:~$ ls /bin

可以考慮安裝 eza 作為更友善的 ls 替代方案。

在多數電腦上，這會印出 大量 程式；這裡只先看幾個最重要的。先從簡單的開始：

• cat file：印出 file 內容。
• sort file：把 file 的各行排序後輸出。
• uniq file：移除 file 中連續重複的行。
• head file 與 tail file：分別印出 file 開頭與結尾幾行。

可以考慮安裝 bat 來取代 cat， 支援語法上色與更好的瀏覽體驗。

還有 grep pattern file，用來找出 file 中符合 pattern 的行。 它值得多花一點注意力，因為它 非常 實用，功能也比想像中豐富。 其中 pattern 其實是 正規表示式（regular expression）， 可描述很複雜的匹配規則——我們會在程式碼品質講座 詳細介紹。你也可以把目標改成目錄（或省略成 .），再加 -r 遞迴搜尋目錄內所有檔案。

可以考慮使用 ripgrep 取代 grep， 它更快、使用體驗也更友善（但可攜性略低）。 此外，ripgrep 預設就會遞迴搜尋目前工作目錄！

還有一些很有用但介面稍微複雜的工具。第一個是 sed， 它是可程式化的檔案編輯器。sed 有自己的語言可自動化修改檔案， 最常見用法是：

missing:~$ sed -i 's/pattern/replacement/g' file

這會把 file 中所有 pattern 替換成 replacement。 -i 表示直接改原檔（而不是只輸出替換後內容、原檔不變）。 s/ 在 sed 語言裡代表「做替換」。 / 用來分隔 pattern 與 replacement。 最後的 /g 代表每一行中所有匹配都要替換，而不是只替換第一個。 和 grep 一樣，這裡的 pattern 也是正規表示式，能提供很強的表達力。 正規表示式替換也允許 replacement 參照匹配到的部分；等一下會看到例子。

接著是 find，它能依條件（遞迴）尋找檔案。例如：

missing:~$ find ~/Downloads -type f -name "*.zip" -mtime +30

這會在下載目錄中找出超過 30 天的 ZIP 檔。

missing:~$ find ~ -type f -size +100M -exec ls -lh {} \;

這會在家目錄中找出大於 100M 的檔案，並列出它們。 注意 -exec 需要一個以獨立 ; 結束的 command （像空白一樣需要跳脫），而 {} 會由 find 替換成每個匹配到的檔案路徑。

missing:~$ find . -name "*.py" -exec grep -l "TODO" {} \;

這會找出包含 TODO 的 .py 檔案。

find 語法一開始可能有點硬，但希望你已感受到它有多實用！

可以考慮安裝 fd 取代 find， 使用體驗更友善（但可攜性也較低）。

接下來是 awk，它和 sed 一樣有自己的程式語言。 sed 偏向「編輯檔案」，awk 偏向「解析檔案」。 awk 最常見用途，是處理格式規律的資料檔（例如 CSV）， 從每筆紀錄（每一行）擷取你要的欄位：

missing:~$ awk '{print $2}' file

這會印出 file 每一行以空白分隔的第二欄。 如果加上 -F,，就會改成印出每行以逗號分隔的第二欄。 awk 能做的遠不只這些——像過濾資料列、聚合統計等； 你可以在練習題中先嘗鮮。

把這些工具組合起來，我們可以做到像下面這種進階操作：

missing:~$ ssh myserver 'journalctl -u sshd -b-1 | grep "Disconnected from"' \
  | sed -E 's/.*Disconnected from .* user (.*) [^ ]+ port.*/\1/' \
  | sort | uniq -c \
  | sort -nk1,1 | tail -n10 \
  | awk '{print $2}' | paste -sd,
postgres,mysql,oracle,dell,ubuntu,inspur,test,admin,user,root

這段會抓遠端伺服器的 SSH 紀錄（下一講會再深入講 ssh）， 搜尋斷線訊息，從每筆訊息擷取使用者名稱，再輸出前 10 名常見使用者（逗號分隔）。 全部只用一行指令完成！每一步細節留給你當練習。

Shell 語言（bash）

前一個範例帶出了新概念：pipe（|）。 它能把一個程式的輸出，直接接到下一個程式的輸入。 之所以成立，是因為多數命令列程式在未指定 file 參數時， 會從「標準輸入」（也就是你平常打字進去的地方）讀資料。 | 會把左側程式的「標準輸出」（平常印在終端機上的內容） 當成右側程式的標準輸入。 這讓你能把 shell 程式 組裝（compose） 起來，也是 shell 高生產力的重要原因。

其實，多數 shell 都實作了完整程式語言（例如 bash）， 和 Python、Ruby 一樣有變數、條件判斷、迴圈、函式。 你在 shell 裡下指令，本質上就是在寫一小段由 shell 解譯的程式碼。 我們今天不會把 bash 全部教完，但以下幾個部分特別實用：

先看重新導向（redirect）： >file 可把程式標準輸出寫入 file，而不是顯示在終端機， 之後更容易分析。>>file 代表附加到檔尾，不覆蓋原內容。 <file 則是把 file 當成程式標準輸入，而不是從鍵盤讀取。

這裡也很適合提一下 tee。tee 會把標準輸入印到標準輸出 （像 cat 一樣），同時 也會 寫入檔案。 所以 verbose cmd | tee verbose.log | grep CRITICAL 可以一邊把完整詳細紀錄存檔，一邊維持終端機輸出精簡。

再來是條件判斷： if command1; then command2; command3; fi 會先執行 command1， 若沒有錯誤，就接著執行 command2 與 command3。 你也可以加上 else 分支。 最常拿來當 command1 的是 test（常簡寫為 [）， 可判斷像「檔案是否存在」（test -f file / [ -f file ]） 或「字串是否相等」（[ "$var" = "string" ]）。 在 bash 裡還有 [[ ]]，它是較「安全」的內建判斷語法， 在引號等情境下怪異行為較少。

bash 也有兩種迴圈：while 與 for。 while command1; do command2; command3; done 很像 if， 差別在於只要 command1 持續成功，它就會反覆執行。 for varname in a b c d; do command; done 會執行 command 四次， 每次 $varname 依序為 a、b、c、d。 實務上你常不會手動列出項目，而是用「指令替換（command substitution）」：

for i in $(seq 1 10); do

這會先執行 seq 1 10（輸出 1 到 10），再用該輸出取代整段 $()， 變成跑 10 次的 for 迴圈。 你在舊程式碼有時會看到反引號寫法（像 for i in `seq 1 10`; do）， 但建議優先使用 $()，因為它可巢狀使用。

雖然你 可以 直接在 prompt 寫長 shell script， 但通常還是建議寫進 .sh 檔。 例如下面腳本會重複執行測試直到失敗，只顯示失敗那次輸出， 同時在背景施加 CPU 壓力（例如用來重現不穩定測試）：

#!/bin/bash
set -euo pipefail

# 在背景啟動 CPU 壓力測試
stress --cpu 8 &
STRESS_PID=$!

# 設定記錄檔
LOGFILE="test_runs_$(date +%s).log"
echo "Logging to $LOGFILE"

# 重複執行測試直到失敗
RUN=1
while cargo test my_test > "$LOGFILE" 2>&1; do
    echo "Run $RUN passed"
    ((RUN++))
done

# 清理並輸出結果
kill $STRESS_PID
echo "Test failed on run $RUN"
echo "Last 20 lines of output:"
tail -n 20 "$LOGFILE"
echo "Full log: $LOGFILE"

這段腳本包含不少新概念，建議花時間深入，因為它們在寫實用 shell 指令時非常常用， 例如背景工作（&）可讓程式並行執行、較進階的 shell 重新導向， 以及算術展開。

另外很值得特別看前兩行。 第一行是 shebang（#!），不只 shell script，很多腳本檔案頂端都會有。 當一個檔案以 #!/path 開頭並被執行時，shell 會啟動 /path 指定的程式， 並把該檔案內容當作輸入傳給它。以 shell script 來說，就是把腳本內容交給 /bin/bash； 同理，Python 也可用 /usr/bin/python 作為 shebang。

第二行是讓 bash 進入較「嚴格」模式，可降低寫 shell script 時的踩雷機率。 set 可接很多參數，簡單說： -e 讓任一指令失敗時腳本立即結束； -u 讓使用未定義變數時直接報錯，而不是默默當空字串； -o pipefail 讓 | 管線中任一步失敗時，整個腳本也提早失敗結束。

Shell 程式設計和其他語言一樣是很深的主題，但要提醒你：bash 的陷阱特別多， 多到有很多網站 專門在整理踩雷案例。 強烈建議你在寫腳本時大量使用 shellcheck。 LLM 也很適合拿來撰寫與除錯 shell script； 當腳本變得太龐大（100+ 行）時，也可協助轉寫成「正式」程式語言（例如 Python）。

下一步

到這裡，你已經具備足夠的 shell 基礎，能完成基本任務。 你應該能在系統中移動、找到目標檔案，並使用多數程式的基本功能。 下一講我們會談如何用 shell 與更多實用命令列工具， 來完成並自動化更複雜的工作。

練習

本課每一講都搭配一系列練習。 有些題目是明確任務，有些則較開放，例如「試著用 X 與 Y 程式」。 我們非常鼓勵你實際動手做做看。

我們沒有提供練習題標準答案。 如果你卡住了，歡迎在 Discord 的 #missing-semester-forum 發問，或寄信告訴我們你目前嘗試了什麼， 我們會盡力協助你。這些練習也很適合當作和 LLM 對話的起始提示， 透過互動方式逐步深入。這些題目的真正價值，在於你探索答案的過程， 而不只是答案本身。建議你在解題時多追問「為什麼」並延伸探索， 而不是只找最短路徑拿到結果。

1. 這門課需要使用 Unix shell（例如 Bash 或 ZSH）。 如果你用 Linux 或 macOS，不需特別設定。 如果你用 Windows，請確認你不是在用 cmd.exe 或 PowerShell； 你可以使用 Windows Subsystem for Linux 或 Linux 虛擬機來操作 Unix 風格命令列工具。 要確認你目前 shell 是否符合需求，可執行 echo $SHELL。 若顯示像 /bin/bash 或 /usr/bin/zsh，表示你用的是正確環境。

2. ls 的 -l 旗標是做什麼？ 執行 ls -l / 並觀察輸出。 每行開頭 10 個字元分別代表什麼？（提示：man ls）

3. 在指令 find ~/Downloads -type f -name "*.zip" -mtime +30 中， *.zip 是一種「glob」。 什麼是 glob？請建立一個測試資料夾，放幾個檔案後實驗 ls *.txt、ls file?.txt、ls {a,b,c}.txt。 可參考 Bash 手冊中的 Pattern Matching。

4. 'single quotes'、"double quotes"、$'ANSI quotes' 有什麼差別？ 請寫一個指令，輸出一段字串，內容需包含字面值 $、!，以及換行字元。 可參考 Quoting。

5. Shell 有三種標準串流：stdin（0）、stdout（1）、stderr（2）。 執行 ls /nonexistent /tmp，把 stdout 重新導向到一個檔案， stderr 重新導向到另一個檔案。 那要如何把兩者都導向同一個檔案？可參考 Redirections。

6. $? 會保存上一個指令的結束狀態（0 = 成功）。 && 只在前一個成功時才執行下一個； || 只在前一個失敗時才執行下一個。 請寫一行指令：僅在 /tmp/mydir 不存在時才建立它。 可參考 Exit Status。

7. 為什麼 cd 必須是 shell 內建指令，而不能只是獨立程式？ （提示：想想子行程能與不能影響父行程的哪些狀態。）

8. 寫一個腳本，接收檔名作為參數（$1），並使用 test -f 或 [ -f ... ] 檢查檔案是否存在。它應該依「存在／不存在」輸出不同訊息。 可參考 Bash Conditional Expressions。

9. 把上一題腳本存成檔案（例如 check.sh）。 嘗試用 ./check.sh somefile 執行，會發生什麼？ 再執行 chmod +x check.sh 後重試。為什麼這步驟是必要的？ （提示：比較 chmod 前後 ls -l check.sh 的結果。）

10. 如果在腳本中的 set 旗標再加上 -x，會發生什麼？ 請用簡單腳本測試並觀察輸出。 可參考 The Set Builtin。

11. 寫一個指令，將檔案複製成含有今天日期的備份檔名 （例如 notes.txt → notes_2026-01-12.txt）。 （提示：$(date +%Y-%m-%d)） 可參考 Command Substitution。

12. 修改講座中的 flaky test 腳本，讓它改為接收測試指令作為參數， 不要把 cargo test my_test 寫死。 （提示：$1 或 $@） 可參考 Special Parameters。

13. 使用 pipe 找出你家目錄中最常見的前 5 種副檔名。 （提示：組合 find、grep 或 sed 或 awk、sort、uniq -c、head）

14. xargs 會把 stdin 的每一行轉成指令參數。 請用 find 搭配 xargs（不要用 find -exec），找出某目錄下所有 .sh 檔， 並用 wc -l 計算每個檔案行數。 加分：讓它可正確處理檔名含空白。 （提示：-print0 與 -0） 可參考 man xargs。

15. 使用 curl 抓取課程網站 HTML （https://missing.csail.mit.edu/），再 pipe 給 grep 計算列出了幾堂講座。 （提示：找一個每堂講座只出現一次的樣式；用 curl -s 關閉進度輸出）

16. jq 是處理 JSON 的強大工具。 用 curl 抓取範例資料 https://microsoftedge.github.io/Demos/json-dummy-data/64KB.json， 再用 jq 擷取 version 大於 6 的人名。 （提示：先 pipe 到 jq . 看結構，再試 jq '.[] | select(...) | .name'）

17. awk 可依欄位條件過濾資料並調整輸出。 例如 awk '$3 ~ /pattern/ {$4=""; print}' 只會印出第三欄匹配 pattern 的行，並省略第四欄。 請寫一個 awk 指令：只印出第二欄大於 100 的行，並交換第一與第三欄。 可用以下資料測試：printf 'a 50 x\nb 150 y\nc 200 z\n'

18. 拆解講座中的 SSH log pipeline：每一步在做什麼？ 然後做一個類似流程，從 ~/.bash_history（或 ~/.zsh_history） 找出你最常用的 shell 指令。