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title: 'Linux 教程新手篇（草稿）'
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date: 2024-11-16T22:13:37+08:00
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在做实验，需要每五分钟去调整一下仪器，但中间的五分钟有点无事可做。
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所以来写一下这个东西得了。
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原本是想要写个给同专业的同学看的教程，写了一点觉得，诶，我为啥不写成更通用的教程呢。
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于是就这样做吧。
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## 顶层设计
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我的想法是这样的：按照两个部分去写，一个新手篇，一个进阶篇。
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不管哪个部分，内容都不会限制于 Linux，甚至 Linux 的内容可能只占一半。
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其实很多人并不是不会用 Linux 而是对缺少对操作系统的一般认识，
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就像看到自己电脑有 C D E F 盘，就以为电脑里真的插了四个硬盘一样。
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另一个常见的误区就是不区分内存和外存。类似此类的问题。
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要真的只是某个 Linux 上的问题不会，反而还都是少见的。
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暂时的计划是这样的，新手篇的内容包含：
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* 什么是 shell？（和 windows 的桌面一个作用，只是变成了敲命令）
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* shell 里命令的格式是怎样的？（第一个是要执行的程序，之后的是参数）
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* 常用的几个命令。
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说白了就是围绕 bash 介绍一些基础用法。
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这其实是相当繁琐的事情，但又是很基础的，不得不介绍，新手接触 Linux 的话也不可能绕过。
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进阶篇的内容会多一些杂一些，包括：
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* 冯诺依曼架构（计算机的硬件组成，至少把内存和外存分清楚吧）
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* 操作系统的结构（内核和用户态程序的区别）
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* 分区、文件系统、挂载，这些概念是指什么；linux常见的几个文件夹里放什么。
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* 程序和进程间通信（环境变量，信号，输入输出，返回值）
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* shell 中一些内置命令，以及重定向、通配符等。
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* 常用的工具（shell 中常用的外置命令）。
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* 用户、文件所有者和权限。
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* 网络协议，NAT。
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* 编程时常用的概念（编译、链接、解释器等）。
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在这之后就区分“专业”了，例如做科学计算的话，需要了解：
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* 常用的并行计算协议（MPI，OpenMP，CUDA，OpenCL，SYCL）。这里其实我也缺一些知识，我需要自己先把自己的疑惑解决了再写。
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* 队列系统。但是我已经写过了。
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当然也可以写一些其它的。但这些要么已经有人写过了写得很好我受益匪浅，我觉得不需要我来写（例如 nix），要么我自己也不熟（例如 docker）。
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总之，写个屁。
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我想要达成的目标是这样的：
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* 对于普通用户：
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* 读完新手篇，就可以着手做计算了。
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* 读完进阶篇，就大致知道自己遇到常见的错误时如何排查，或者如何向别人描述问题了。
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* 对于管理员：
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* 全读完，就可以开始学习怎么搭服务器了（遇到问题时，知道去哪里找答案了）。
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不只是做计算，如果有想自己折腾 Linux 的，这也算是一个比较好的入门；但我会侧重于前者，主要是后者的话，场景太杂，我根本不知道该写啥。
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所以说应该会写四个部分：
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* 速查篇，列个表格，满足某些人“我要一口吞个大象”的心态，他吞不下是他的问题，我给他把大象放到这里。
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* 新手篇，口语化地带领读者实践一圈。
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* 进阶篇，讲基础的、常见的、重要的、但是又往往被忽略的概念，为了给进一步向前走做准备。
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* 专业篇，指科学计算，这一部分更偏向于我自己的整理而不是科普给别人。
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## 那就开始吧
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下面是新手篇。
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### 那个黑框框里是什么？
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先考虑这个问题：在 Windows 电脑上，如何删除一个文件？步骤是这样的：
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1. 启动**资源管理器**（就是“我的电脑”或者“此计算机”）。
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2. 打开你要删除的文件所在的文件夹。
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3. 右键点击文件，选择删除。
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在这个过程中，“资源管理器”或者“exploer.exe”承担了这样一个“传话筒”的角色：
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它接受你下达的指令（打开某个文件夹，删除某个文件，等），并将这个指令传达给系统中那些更底层的程序（即内核）去执行。
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通过 PuTTY 或者别的什么程序连接到服务器后打开的那个黑框框，就是 Linux 系统中的“资源管理器”[^2]，它的名字叫“bash”[^3]。
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它的作用与 Windows 的资源管理器是一样的：你可以给他传达删除某个文件、启动某个程序等指令，它就会把这个指令传达给系统的更底层去实际执行。
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学习 Linux 的第一步，就是学习如何给 bash 下达指令，例如打开某个文件夹、删除某个文件、启动某个程序等。
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至于其中的细节（例如 bash 是如何与内核交互的，为了删除一个文件内核又需要做什么），暂时不需要关心。
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类似于 Windows 的资源管理器或 bash 这样的程序被称为“shell”，也就是“壳”，
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这是指它把系统中复杂的细节包装了起来，让用户可以简单地进行删除文件、打开文件夹等操作，大多情况下不用关心细节。
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### 几个常见的命令
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学习英语的第一步并不是钻研语法，而是学习最常用的几句话大致怎么说。学习 bash 也是一样的。
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下面是几个最常用的命令，你可以跟着操作一遍，就大致知道这些命令该怎么用了，同时也可以理解 Linux 上一些基本的概念。
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{{< callout type="warning" >}}
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如果你是在学校超算（jykang）上跟着操作，那么一定要小心，每一次回车前都要仔细检查输入的命令是否正确，千万不要误操作。
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{{< /callout >}}
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#### `pwd`
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在 Windows 的资源管理器中，可以在窗口上部、标题栏下方的地址栏中看到现在打开的是哪个文件夹（称为当前的“工作目录”）；
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而在 bash 中，可以使用 `pwd` 命令查看工作目录的路径（`pwd` 是“print working directory”的缩写）：
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```bash
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pwd
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```
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将 `pwd` 输入到黑框框中，然后按回车键，它就会输出一行文字，告诉你现在在哪个文件夹下。例如，它输出的结果可能是：
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```
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/home/chn
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```
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这表示你现在打开的是“**根目录**”下的 `home` 文件夹下的 `chn` 文件夹。
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要解释“根目录”的意思，需要先提到一个 Linux 与 Windows 的不同之处：
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Windows 中往往逻辑上有多个“磁盘”（C 盘、D 盘、E 盘等），而 Linux 中**逻辑上**只有一个“磁盘”，这个“磁盘”就是所谓的“根目录”。
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当然，这个“根目录”中的内容完全可能实际是分布在多个硬盘上存储的（例如，某几个文件夹在一个硬盘上，另外几个文件夹在另一个硬盘上），
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但这些细节初学者并不需要关心，这些文件实际上存储在哪里对初学者来说操作起来完全没有区别。
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你还会发现另外一个区别：在 Windows 中，文件夹之间的分隔符是反斜杠 `\`，而在 Linux 中，文件夹之间的分隔符是斜杠 `/`。
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还有第三个重要的区别你可能没有发现：
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在 Windows 中，文件和文件夹名字是不区分大小写的，也就是说无法在同一个文件夹下新建 `aaa.txt` 和 `AAA.txt` 两个文件；
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而 Linux 中文件和文件夹名是区分大小写的，`aaa.txt` 和 `AAA.txt` 完全可以同时存在。
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不仅仅是文件名，整个 Windows 的习惯都是不区分大小写的，而整个 Linux 的习惯则都是区分大小写的。
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总之，我们之后学习的所有命令、各种参数等，它们都是区分大小写的；
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如果你在哪里看到过某某命令不区分大小写的说法，那大概率是 Windows 的特色，不能不经确认套用到 Linux 上。
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#### `ls`
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使用 `ls` 命令（“list”的缩写）列出当前目录下，名字不以 `.` 开头的文件和文件夹（也就是不隐藏的文件和文件夹）：
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```bash
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ls
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```
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在 Windows 上，一个文件或者文件夹是否是隐藏的，是它的一个属性（右击-属性中，可以修改）；
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但在 Linux 上，通常直接把名字以 `.` 开头的文件或文件夹称为“隐藏文件”或“隐藏文件夹”，并通常用来存放程序的设置等用户平时不需要修改的内容。
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隐藏的文件与不隐藏的文件本质上并没有什么不同，这只是一种习惯性的用法。
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要列出当前目录中所有的文件和文件夹（包括隐藏的），可以使用 `ls -a` 命令（“a”是“all”的缩写）：
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```bash
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ls -a
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```
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你一定可以看到两个特殊的文件夹：一个名字叫 `.`，令一个叫 `..`。我稍后会介绍它们是什么。
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要列出别的地方的文件夹里的内容（而不是当前文件夹），可以在 `ls` 命令后面加上这个文件夹的路径，例如：
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```bash
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ls /
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```
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这会列出根目录下的文件和文件夹（不包括隐藏的）。
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```bash
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ls /home/chn
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```
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这会列出 `home` 文件夹下的 `chn` 文件夹中的文件和文件夹（不包括隐藏的）。
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当然，如果你没有权限看这个文件夹里的内容的话，这个命令就会报错，但也不会有什么坏处，也不会影响之后的命令。
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你可以按照自己的兴趣，随意列出几个文件夹的内容，探索一下服务器上有什么东西。不会把服务器搞坏的，不用担心。
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也可以将 `ls` 列出来的东西与 WinSCP 对照者看一下，确认它们是一样的[^4]。
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{{< callout type="info" >}}
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如果你尝试列出 `/nix/store` 或者 `.node_modules` 的文件夹的内容，你的 shell 可能会卡死，这只是因为里面的文件太多了。
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你可以耐心等待它列完，也可以按 `Ctrl + C` 来终止这个命令，实在不行就重启 PuTTY。
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{{< /callout >}}
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#### `mkdir`
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使用 `mkdir` 命令（“make directory”的缩写）在当前目录下创建一个新的文件夹：
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```bash
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mkdir test
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```
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这样就在当前目录下创建了一个名为 `test` 的文件夹。
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#### `cd`
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使用 `cd` 命令（“change directory”的缩写）切换当前目录（也就是，打开别的文件夹）：
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```bash
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cd test
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```
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这样就进入了当前目录下的 `test` 文件夹。
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如果要返回上一级目录，可以使用 `cd ..` 命令：
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```bash
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cd ..
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```
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还记得前面提到的 `.` 和 `..` 这两个特殊的文件夹吗？其实 `..` 就是指上一层文件夹，而 `.` 就是指同一层文件夹。
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例如，下面几个目录的写法,它们之间是完全等价的：
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```bash
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/home/chn
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/home/chn/.
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/home/chn/./././././.
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/home/../home/chn
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/home/chn/../../home/chn
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/home/././chn/.././chn
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```
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目前为止，很多命令都需要用到文件或文件夹的路径。
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实际上，文件或者文件夹的路径有两种写法，大多数情况下（包括基础篇中提到的所有命令但不仅限于），两种写法都可以，完全等价：
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* 直接写当前目录下的文件或文件夹的名字，例如 `cd test` 或者 `cd ./test` 或者 `cd ./test/../test` 等，这种写法称为相对路径；
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* 写完整的路径（以 `/` 开头的路径），例如 `cd /home/chn/test`，这种写法称为绝对路径。
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但也存在一些例外，其中一个重要的例外在基础篇的最后会提到。
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#### `echo`
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使用 `echo` 命令输出一行文字：
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```bash
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echo Hello
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```
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这样就输出了一行 `Hello`。——这有什么用呢？
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可以使用下面这个命令，在当前目录下创建一个名为 `file.txt` 的文件，并在这个文件中写入一行 `Hello`
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（如果这个文件之前已经存在，其中的内容会被覆盖）：
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```bash
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echo Hello > file.txt
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```
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如果你想在这个文件中追加一行 `World`（之前的内容不会被覆盖），可以使用下面这个命令：
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```bash
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echo World >> file.txt
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```
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这里的 `>` 和 `>>` 是两个特殊的符号，被称为“重定向符号”，
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它表示把之前的命令的标准输出（也就是，原本会输出到屏幕上的内容[^5]）重定向到某个文件中。
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`>` 表示覆盖，`>>` 表示追加。
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它们的用法不仅限于 `echo` 命令，而是可以用在任意的命令上，例如 `ls > file.txt` 就会把 `ls` 命令的输出重定向到 `file.txt` 文件中。
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#### `cat`
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使用 `cat` 命令（“meow meow meow”的缩写[^6]）查看一个文件的内容：
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```bash
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cat file.txt
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```
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你当然可以“活学活用”，把 `cat` 命令的输出重定向到另一个文件中，这样就变相实现了文件的复制：
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```bash
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cat file.txt > file2.txt
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```
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类似于这样的“活学活用”在 Linux 中其实比比皆是。就像一篇光鲜亮丽的 sci 论文背后总是充满了科研现实的苟且。
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#### `cp`
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这个才是正经用来复制文件的命令（`copy` 的缩写）：
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```bash
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cp file.txt file2.txt
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```
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如果要复制的是文件夹，需要加上 `-r` 参数（“r”是“recursive”的缩写[^7]）：
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```bash
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cp -r test test2
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```
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#### `rm`
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使用 `rm` 命令（“remove”的缩写）删除一个文件：
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```bash
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rm file.txt
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```
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这样就删除了当前目录下的 `file.txt` 文件。
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要删除文件夹，需要加上 `-r` 参数（与 `rm` 相同）：
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```bash
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rm -r test
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```
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这样就删除了当前目录下的 `test` 文件夹。
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### bash 的基本语法
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#### 按行分割
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英语分为一个个句子，以句号作为结尾；输入给 bash 的指令是一条一条的，通常以换行作为结尾。
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例如，输入下面的命令：
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```bash
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cd test
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rm file.txt
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cd ..
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```
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bash 会把它作为三条指令来执行。
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#### 命令与参数
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英语的一句话中，主语后接的是谓语、宾语；
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bash 的一条指令中，按照空格分隔，第一个单词是要执行的命令，之后如果还有内容的话，只要不是一些特殊的符号（例如 `>`），就是这个命令的参数。
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例如在下面的命令中：
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```bash
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rm file.txt
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```
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`rm` 是要执行的命令，`file.txt` 是这个命令的参数。
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在按照空格分割的时候，连续的多个空格与单个空格是等价的，例如下面的命令：
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```bash
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rm file.txt
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```
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与上面的命令是等价的。
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如果命令或者参数中包含空格，可以用双引号或单引号把它括起来，例如：
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```bash
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rm "file with space.txt"
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```
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这样 bash 就知道 `file with space.txt` 是传给 `rm` 的一个参数；而不是把它分成 `file`、`with`、`space.txt` 三个参数。
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也就是说，要删除的是名为 `file with space.txt` 这一个文件，而不是名为 `file`、`with`、`space.txt` 的三个文件。
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每个命令可以接受参数的个数不同。
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例如，删除文件的命令通常需要至少一个参数（你得告诉它删除哪个文件），至多则不限制；
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而复制文件的命令通常至少需要两个参数（你得告诉它将哪个文件复制到哪里）。
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#### 内置命令与外部程序
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`cd`、`pwd` 等命令并不会启动 bash 以外的程序：它们是 bash 内置的命令，它们的作用是调整或者输出 bash 本身的状态，
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相当于查看或者修改 Windows 的资源管理器本身的设置，而不是要 bash 做什么实际的事情。
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而 `rm file.txt` 这个命令则实际上是启动了一个放置在特定位置[^8]、名为 `rm` 的程序，并将 `file.txt` 作为参数传给它。
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`mkdir`、`cp` 等命令也是这样的。
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那么，如果要运行一个程序，而这个程序又不放在类似于 `/usr/bin` 这样的特殊位置，应该怎么调用呢？有三个办法：
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* 修改环境变量。新手篇不会介绍这个办法，因为新手很容易把环境变量搞乱。
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* 使用绝对路径调用程序。例如，这个程序放置在 `/home/chn` 文件夹下，名字叫 `myprogram`，那么可以这样调用：
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```bash
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/home/chn/myprogram
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```
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如果要传递参数给这个程序，也是一样的写法：
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```bash
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/home/chn/myprogram arg1 arg2
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```
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* 使用以 `.` 开头的相对路径调用程序。必须使用以 `.` 开头的相对路径（`..` 也可），这就是之前提到的那个重要的例外。
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例如，这个程序放置在当前文件夹下，名字叫 `myprogram`，那么可以这样调用：
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```bash
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./myprogram
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```
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#### 管道与 `grep` 命令
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除了之前介绍的 `>` 和 `>>` 之外，还有一个非常常用的特殊符号，叫做“管道符号” `|`，就是键盘上那个竖线。
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它的作用是把一个命令的标准输出重定向到另一个命令的“标准输入”（就是这个命令原本看到的用户的输入[^9]）。
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管道符号经常和 `grep` 命令一起使用，`grep` 命令的作用是在输入中查找某个字符串，并输出包含这个字符串的行。
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例如：
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```bash
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cat OUTCAR | grep "Total energy"
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```
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这个命令可以输出 `OUTCAR` 文件中包含 `Total energy` 的行。
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`grep` 有一些常用的参数，包括：
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* `-i`（“ignore case”的缩写）：匹配时忽略大小写；
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* `-An`（“after”的缩写）: 除了输出匹配的内容，还输出匹配内容的后几行；
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* `-Bn`（“before”的缩写）: 除了输出匹配的内容，还输出匹配内容的前几行；
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* `-v`（“invert match”的缩写）：输出不匹配的行，而不是输出匹配的行。
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#### 通配符
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使用 `*` 来匹配路径中存在的文件或者文件夹。说起来抽象，举个例子就明白了。假定当前目录下有这样几个文件：
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```
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file1.txt
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file2.txt
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file3.txt
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dir1
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dir1/file.txt
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dir2
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dir2/file.txt
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dir3
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dir3/file.txt
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```
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那么下面这个命令：
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```bash
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myprogram *
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||
```
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等价于：
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```bash
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myprogram file1.txt file2.txt file3.txt dir1 dir2 dir3
|
||
```
|
||
下面这个命令：
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||
```bash
|
||
myprogram dir*
|
||
```
|
||
等价于：
|
||
```bash
|
||
myprogram dir1 dir2 dir3
|
||
```
|
||
|
||
需要注意的是，`*` 是由 bash 负责解释和展开的，而不是由 `myprogram` 负责解释和展开的；
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||
或者说，`myprogram` 从来不知道 `*` 的存在，它收到的信息已经是展开后的结果了。
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||
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||
另一个常见的通配符是 `~`，它表示当前用户的家目录（也就是你刚登陆时，所在的那个目录[^10]）。例如：
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```bash
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||
myprogram ~/file.txt
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||
```
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||
可能等价于
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||
```bash
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||
myprogram /home/chn/file.txt
|
||
```
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||
这个通配符也是由 bash 负责解释和展开的。
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（等等，这个东西是通配符吗？）
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||
#### for 循环，大括号展开
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||
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||
bash 也支持 `for` 循环，例如：
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```bash
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for i in 1 2 3; do mkdir $i; cd $i; cd ..; done
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```
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||
这个命令会在当前目录下创建三个文件夹，分别叫 `1`、`2`、`3`，然后依次进入这三个文件夹，再依次返回到当前目录。
|
||
这里用到了 `;` 来分隔多个命令，它的具体用法在新手篇里不会提到，仅在这一个特殊的例子中照葫芦画瓢写就可以了。
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||
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||
对于数值，bash 还支持大括号展开，例如：
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||
```bash
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||
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||
|
||
[^1]: 这个更底层的程序就是所谓的“内核”。
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||
[^2]: 无论是 Windows 上的资源管理器还是 Linux 上的这个“黑框框”，它有一个统一的名字，叫做“shell”，也就是“壳”，意思就是它把系统中复杂的细节包装了起来，让用户可以简单地进行删除文件、打开文件夹等操作。
|
||
[^3]: Linux 上最常见的是 bash，学校的超算用的就是这个；次常见的是 zsh，我管理的其它服务器使用的其实就是 zsh 而不是 bash。
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||
这两个的基本使用方法是相同的，初学者不需要区分。
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||
[^4]: WinSCP 默认不会列出隐藏的文件和文件夹，有时会误导新手以为 `.bashrc` 等文件不存在。
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||
[^5]: 命令原本输出到屏幕上的内容不仅仅来自标准输出，还有标准错误输出（用于输出出错的信息，例如“permission denied”等）等途径。
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||
如此使用重定向符号只会重定向标准输出，不会重定向标准错误输出等其它输出。
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||
[^6]: 实际上是“concatenate”的缩写，但这个单词我，反正我不认识。
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||
[^7]: 系统在实际复制一个文件夹时，总是需要首先新建文件夹本身，然后新建文件夹里的
|
||
删除文件夹里的内容，而这又需要首先删除文件夹里的文件夹里的内容，以此类推。
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||
“recursive”就是“递归”的意思。单纯删除空文件夹的参数其实是 `-d`，意为“directory”，但这个参数很少用到，因为 `-r` 也可以删除空文件夹。
|
||
[^8]: 准确说，是 `PATH` 指向的目录。`rm` 等最常用的命令通常位于 `/usr/bin` 或 `/run/current-system/sw/bin`。
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||
[^9]: 标准输入也不是程序读取用户输入的唯一途径。最常见的例外是一些需要读取密码的程序，为了防止密码泄漏，它们往往会从更底层直接拦截、读取掉。
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||
这也是为什么命令行中输入密码时，大多情况下没有任何显示的原因。
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||
[^10]: 准确说，是 `HOME` 环境变量的值。
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