本文档介绍 CS 领域常用工具，核心内容参考自 MIT 课程 The Missing Semester of Your CS Education。

相关阅读与扩展链接：

• 常用软件: Notion 个人主页。
• Setup: 自用工具及配置。
• Git 101: 常见的 Git 命令。
• Regular Expression: 常见的正则表达式用法。
• Linux: Linux 基本知识与操作指南。

Shell

Bash

参考资料：

• Bash 脚本教程
• Minimal safe Bash script template

核心概念与语法

• Shebang：声明脚本解释器，位于文件首行（如 #!/usr/bin/env bash 或 #!/usr/bin/env python）。建议使用 env 以自动在 PATH 环境变量中搜索对应解释器。
• 变量赋值：格式为 foo=bar。注意：等号前后严禁有空格。
• 字符串解析：
  • 双引号 "" 会解析并替换内部变量（如 echo "$foo" 输出 bar）。
  • 单引号 '' 则保持内部所有字符的字面本义。
• 返回值：脚本执行结束会返回状态码，0 表示正常/成功。
• 条件判断：执行高级比较操作时推荐使用 [[ ]]（参考 test(1) - Linux manual page）。
• 命令替换与进程替换：
  • Command Substitution：执行命令并将其输出作为变量提取，格式为 for file in $(ls)。
  • Process Substitution：执行命令并将输出保存至临时文件描述符，再返回该路径，格式为 <(CMD)。

通配符 (Wildcards)

多命令控制流

特殊变量与字符

终端快捷键

光标移动与编辑：

• Ctrl + a / Ctrl + e：移动光标至行首 / 行尾。
• Alt + f / Alt + b：按单词向前（右） / 向后（左）跳跃。
• Ctrl + u / Ctrl + k：清空当前整行 / 删除光标至行尾的全部内容。
• Alt + Backspace / Alt +d：删除光标至单词开头 / 单词结尾的内容。
• Ctrl + c：终止当前正在输入或运行的命令。

任务控制：在 Shell 中，终端窗口与当前运行的会话进程强绑定。

• Ctrl + c：向进程发送 SIGINT 信号（请求中断，进程不一定立即停止）。
• Ctrl + *：向进程发送 SIGQUIT 信号（强制终止进程并生成核心转储）。
• Ctrl + z：向进程发送 SIGSTOP 信号（挂起/暂停进程，将其放入后台）。
• 关闭终端窗口：等同于向进程发送 SIGHUP 信号（挂断并终止进程）。

Zsh 进阶特性

• 省略 cd：直接输入目标目录名称即可进入。
• 快速向上跳转：键入 n+1 个 . 可向上跳转 n 层目录（例如 ... 跳转两层）。
• 进程名补全：输入 kill process_name 按 Tab 键，可自动将进程名替换为对应 PID。
• 目录访问栈：输入 d 列出最近访问过的目录列表，随后输入对应编号即可快速切换。
• 路径首字母补全：如需进入 ~/workspace/src/dict，直接输入 cd ~/w/s/d 并按 Tab 即可自动补全完整路径。
• 快速重试：输入 r 重新执行上一条命令。
• 历史搜索过滤：先输入部分命令（如 git），再按 ↑ 键即可在历史记录中检索所有以该前缀开头的命令。
• 全局通配符 (Globbing)：使用 ** 进行递归搜索，如 ls **/*.png 可列出当前及所有子目录下的 PNG 文件。

常用命令

文件与目录管理

文件与命令检索

• locate [文件名]：依赖后台数据库进行模糊搜索，速度极快（默认每天更新一次）。
  • 配合 updatedb 可强制手动更新数据库。
  • 配置文件位于 /etc/updatedb.conf，可设置搜索限制（如跳过特定系统路径或文件类型）。
• find [搜索路径] [条件]：实时遍历文件系统，支持复杂逻辑的完全匹配搜索。
  • 按名称：-name (精确大小写)，-iname (忽略大小写)。
  • 按时间/大小/逻辑组合：
    • find . -mtime +10：查找修改时间超过 10 天的文件。
    • find . -size -25k：查找小于 25 KB 的文件。
    • find . -size +50k -o -size -20k：查找大于 50 KB 或小于 20 KB 的文件（-o 表示 OR 逻辑）。
    • find . -size +20k -size -50k -exec ls -lh {} \;：查找 20 KB 到 50 KB 之间的文件，并对结果执行 ls -lh 打印详细信息。
• whereis [命令名]：定位二进制可执行文件 (-b) 及帮助手册页 (-m) 的绝对路径。
• which [命令名]：打印当前 PATH 环境下该命令的具体调用路径（可显示 alias 别名）。
• grep [选项] 字符串 [文件名]：基于正则表达式的文本行过滤与包含匹配。
  • -i：忽略大小写。
  • -v：反向选择，输出不包含指定字符串的行。
  • -C [数字]：打印上下文 (Context)，例如 grep -C 2 会同时输出匹配行的上下各两行内容。

进程与任务管理

• kill [PID]：发送信号终止指定 PID 的进程。
• pkill [进程名]：按进程名称模式批量终止进程（支持 Tab 补全）。
• fg / bg：将后台挂起（暂停）的进程调至前台 (Foreground) 运行 / 让其在后台 (Background) 继续运行。
• jobs：查看当前终端会话中未完成的所有后台任务。

系统与其他实用命令

• man [命令]：查阅命令的官方帮助文档 (Manual)。
• systemctl suspend：使系统进入休眠状态。
• cat [file] | xclip -selection clipboard：将文件内容打印并复制到系统剪贴板（依赖 xclip）。
• sips --resampleWidth [像素]：使用脚本进行图像缩放处理（macOS 专有命令）。

SSH

Unix 系统中的 SSH 架构包含客户端 openssh-client 与服务端 openssh-server。客户端通常为系统内置，用于向外发起连接。

服务端配置与状态检测

• 开启 SSH Server：
  • Ubuntu：执行 sudo apt-get install openssh-server 进行安装。
  • macOS：进入系统设置，开启「Sharing -> Remote Login」。
• 状态检测：运行 ps -e | grep ssh。若输出包含 sshd，即表明服务端已启动并正在运行。
• 配置文件：服务端主配置文件位于 /etc/ssh/sshd_config，默认监听 22 端口，可在此处修改端口及访问控制等设置。

连接与快捷访问

通过 ifconfig 获取本机 IP 地址后，其他客户端可通过 ssh username@ip 建立连接。

配置快捷别名：编辑或创建 ~/.ssh/config，添加以下配置模板。配置完成后，直接使用 ssh [自定义名称] 即可快速连接。

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Host [自定义名称]
HostName [IP 地址]
User [服务端用户名]
Port [端口号]
IdentityFile [私钥绝对路径]

免密登录 (Public Key Authentication)

利用公钥加密机制实现免输入密码的安全验证。

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# 生成 RSA 密钥对（公钥与私钥）
ssh-keygen -t ed25519 -C "your_email@example.com"
# 将公钥安全传输并追加至服务端的 authorized_keys 中
ssh-copy-id -i ~/.ssh/id_rsa.pub username@ip

网络连接注意事项

进行远程连接时，需特别注意网络拓扑与 IP 分配机制：

• 内外网隔离：必须区分内网 IP 与公网 IP。连接在同一路由器下的设备处于相同局域网，路由器分配的内网 IP 仅限该局域网内通信。
• 外网访问与端口转发：从外部网络连接本机，需使用路由器的公网 IP，并在路由器管理界面设置端口转发 (Port Forwarding)，将外部端口映射至本机的 22 端口。
• 运营商内网陷阱：需核实路由器 WAN 口获取的 IP 是否为真实的公网 IP。许多宽带用户实际处于运营商的级联大内网 (CGNAT) 中，此时传统的端口转发将失效。
• 动态 IP 与 DDNS：若拥有真实公网 IP 但该 IP 会动态改变，需配置 DDNS (动态域名解析服务) 将域名实时绑定至变动的 IP 地址上。

注：部分地区（如美国）的家用宽带公网 IP 变动频率极低，几乎可视作静态。

Vim

推荐新手在终端中运行 vimtutor 命令进行交互式基础学习。

操作模式

核心原则：同样的按键在不同模式下具备完全不同的功能。

启动参数

利用参数可在打开文件时直接定位或采用特定视图：

• vim + [file]：打开文件并将光标定位到最后一行。
• vim +3 [file]：打开文件并将光标定位到第 3 行。
• vim +/xxx [file]：打开文件并定位到首个匹配 xxx 的行，可按 n 键跳转至下一个匹配项。
• vim [file1] [file2]：在同一个窗口的后台缓冲区 (Buffer) 中打开多个文件。
  • 配合 :n (下一个文件)、:N 或 :prev (上一个文件) 进行切换。
  • 输入 :b 后按 Tab 键可自动补全并切换文件。
• vim -p [file1] [file2]：以标签页形式打开多个文件，使用 gt (下一个) 或 gT (上一个) 切换标签。

命令行模式常用命令

光标移动

• 基础方向：h (左) / j (下) / k (上) / l (右)。
• 单词跳转：w (跳至下个单词词首) / e (跳至单词词尾) / b (跳至本/上个单词词首)。
• 行内跳转：0 (绝对行首) / ^ (行首首个非空字符) / $ (绝对行尾)。
• 屏幕视窗：H (屏幕顶部) / M (屏幕中部) / L (屏幕底部)。
• 翻页操作：Ctrl + f / Ctrl + b (向下 / 上翻全页)，Ctrl + d / Ctrl + u (向下 / 上翻半页)。
• 文件首尾与定行：gg (文件第一行) / G (文件最后一行)。跳转至指定行使用 :[行号] 或 [行号]G（如 :15 或 15G）。
• 行内字符查找：f / F (向后 / 前查找字符，光标停留在字符上)；t / T (向后 / 前查找，光标停在目标字符的前一个位置)。
• 模式匹配搜索：/[regex] 向下搜索，?[regex] 向上搜索。使用 n / N 跳转至下一个 / 上一个匹配项。
• 括号匹配：% 自动在配对的 ()、[]、{} 之间跳转。
• 标记与历史：m[X] 设定一个名为 X 的书签 (Mark)，使用 `[X] 直接定位回该标记。Ctrl + o / Ctrl + i 用于在跳转历史中后退 / 前进。

注意：在 Visual 模式下同样使用移动键来扩展选取范围。

文本编辑

文本对象 (Text Objects)：推荐在 d (删除) 或 c (修改) 操作中配合 Text Objects 使用，而非单纯的 Motion。

• iw (inner word)：单词内部。
• it (inner tag)：XML/HTML 标签内部。
• i" (inner quotes)：双引号内部。
• ip (inner paragraph)：段落内部。
• as (a sentence)：包含标点的整句。

全局替换 (Substitution)：

• :s/[a]/[b]：将光标所在行第一个匹配的 a 替换为 b。
• :s/[a]/[b]/g：替换光标所在行所有匹配项（g 代表 global）。
• :[#],[#]s/[a]/[b]/g：在指定的起止行号内进行全部替换。
• :%s/[a]/[b]/g：在整个文件范围内进行全部替换。
• :%s/[a]/[b]/gc：全局替换，但在每次替换前请求确认（c 代表 confirm）。

特殊技巧与高级配置

• 重复操作：. (点操作符) 可重复执行上一次的修改指令。
• 组合威力：搜索与编辑可完美结合。例如 dt" 会删除从当前光标一直到该行首个 " 符号之前的所有内容。
• 数字修饰符：[数字] + [命令] 可重复执行多次。如 3w 代表向前移动 3 个单词。
• 寄存器 (Registers)：使用 d 或 x 删除的文本并不会凭空消失，而是自动放入了默认寄存器中，随后可用 p 粘贴。
• 当前状态：Ctrl + g 显示当前文件的路径信息及光标所处状态。
• 命令行补全：在 Command-line 模式下，按 Ctrl + d 会列出所有可能的自动补全选项。
• 开关设置：在命令前加 no 可快速关闭该选项。例如 :set noic (关闭 ignore-case，即开启大小写敏感搜索)。
• 重载配置：:so % 表示将当前文件作为 VimScript 配置加载。:so ~/.vimrc 则是重新加载用户指定的 Vim 配置文件。

Tmux

Tmux 是一个强大的终端复用器，其层级结构严格遵循：会话 (Session) -> 窗口 (Window) -> 窗格 (Pane)。

核心概念：Tmux 中的大部分快捷键操作都需要先按下前缀键 (Prefix) 激活指令模式，默认的前缀键组合为 Ctrl + b。

会话管理 (Session)

每个会话都是一个独立的工作空间。其最大优势在于：即使断开终端或 SSH 连接，会话及其内部的进程也会在后台稳定运行。

窗口管理 (Window)

窗口类似于现代浏览器的标签页，多个窗口可以同属于一个会话。

窗格管理 (Pane)

窗格是对当前单一窗口的屏幕区域进行任意分割的结果。

Git

关于 Git 的核心概念与常用操作，参见另一篇笔记：Git 101。

Debugging & Profiling

Debugging (代码调试)

推荐使用 ipdb 进行 Python 代码调试。它是基于 IPython 的增强版 pdb，原生支持语法高亮、自动补全等进阶功能。启动方式：

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python -m ipdb [脚本文件.py]

常用交互命令 (Interactive Commands)：

Profiling (性能分析)

执行耗时测算：time 命令，用于粗略评估终端命令的运行耗时。

• real: Elapsed real time，即从命令敲击回车到执行结束，现实世界实际流逝的总时间。
• user: User CPU time，进程在用户空间中实际消耗的 CPU 时间总和。
• sys: System CPU time，进程在内核空间中（如进行系统调用）消耗的 CPU 时间总和。

Python 细粒度性能分析工具：

• 时间开销追踪：使用 line_profiler 模块，可精确统计函数内每一行代码的执行耗时。
• 内存占用追踪：使用 memory_profiler 模块，用于逐行监控脚本运行期间的内存分配与峰值情况。

Make

Make 是经典的自动化构建系统，适用于任何「基于文件变更状态触发重新构建」的项目。

其核心原理是根据 Makefile 中编写的规则，执行指定的 Shell 命令序列。

Makefile 基础

Makefile 的基础语法结构如下：

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[target]: [dependency1] [dependency2] ...
    [command]

高危易错点：[command] 所在的行首必须使用 Tab 键缩进，严禁使用空格代替。

• Dependency Graph: dependency (依赖项) 可以拥有自身的构建规则，Make 会自动解析并形成完整的依赖调用链。
• Phony Target: target (目标) 既可以是具体生成的文件，也可以是单纯的执行动作（如 clean）。为防止这些动作名与当前目录下的同名文件发生冲突，需在开头使用 .PHONY 显式声明它们。

综合范例：

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.PHONY clean all

all: hello.out  # 定义的默认/伪目标

hello.out: hello.c min.o max.o
    gcc -o hello.out hello.c min.o max.o

# 若执行时发现缺少 .o 文件，Make 会向下检索对应的依赖规则并递归执行
min.o: min.c
    gcc -c -o min.o min.c

max.o: max.c
    gcc -c -o max.o max.c

clean:  # 清理编译产物（伪目标）
    rm *.out *.o

核心语法与高级特性

变量与输出控制

• 定义与调用变量：使用等号赋值，通过 $() 调用。
• 关闭回显：make 默认会打印每条正在执行的命令。在命令前加上 @ 符号可抑制该输出。

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txt=HELLO
test:
    @echo $(txt)  # 只打印 HELLO，不打印 echo HELLO 这条命令本身

自动变量 (Automatic Variables)

用于在规则命令中动态指代目标或依赖：

• $@: 代表当前的 target 名称。
• $^: 代表所有的 dependency 集合（以空格分隔）。
• $<: 代表第一个 dependency 的名称。

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a.txt: b.txt c.txt
    echo $^ > $@  # 将 b.txt c.txt 写入 a.txt

模式匹配与内置函数

• 模式匹配：使用 % 符号进行通配，可大幅简化结构高度一致的规则。
• 内置函数：提供文本和文件处理能力。
  • wildcard: 提取匹配的真实文件列表。
  • patsubst: 模式匹配替换，语法为 $(patsubst pattern,replacement,text)。

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# 1. 模式匹配示例
%.csv: %.txt  # 匹配所有 .csv 并将对应的 .txt 作为依赖
    echo $^ > $@

# 2. 内置函数示例
files = $(wildcard src/*.txt)  # 获取 src 目录下所有 txt 文件
# 将 a.txt b.txt 替换为 a.csv b.csv (注意 text 参数是以空格分隔的)
csv_files = $(patsubst %.txt,%.csv,a.txt b.txt)

Make 命令行参数

运行 make 时，系统默认在当前目录下寻找名为 Makefile 或 makefile 的文件。运行逻辑：仅当 target 不存在，或 dependency 的修改时间 (Timestamp) 比 target 更晚时，才会触发 command 执行。

C++

GCC (GNU Compiler Collection)

GCC 编译 C/C++ 源码通常经历四个严格的阶段：预处理 -> 编译 -> 汇编 -> 链接。

• 预处理 (Preprocessing)：编译器将被包含的头文件（如 #include）及宏定义展开并插入源码中。gcc -E hello.c -o hello.i
• 编译 (Compilation)：检查代码规范与语法错误。确认无误后，将预处理后的代码翻译为汇编语言。gcc -S hello.i -o hello.s
• 汇编 (Assembly)：将汇编代码 .s 文件转换为机器可读的二进制目标文件 (Object File)。
• 链接 (Linking)：将目标文件与所需的库文件链接，最终生成可执行文件。

常用编译参数：

CMake 构建系统

CMake 是基于 Makefile 的高层抽象工具，旨在跨平台自动生成可移植的 Makefile。其核心配置均写在 CMakeLists.txt 中。

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# CMake 最低版本要求
cmake_minimum_required(VERSION 3.19)

# 定义工程名称
project(Test)

# 设置编译模式 (Debug 或 Release)
set(CMAKE_BUILD_TYPE "Debug")

# 1. 编译可执行程序：将 a.cpp 编译为可执行文件 a (需包含 main 函数)
add_executable(a a.cpp)

# 2. 编译库文件：将 b.cpp 编译为静态库 (默认) 或共享/动态库 (SHARED)
add_library(b b.cpp)
add_library(b_ SHARED b.cpp)

# 3. 链接目标文件：c.cpp 中调用了库 b 的函数，需将其链接
add_executable(c c.cpp)
target_link_libraries(c b)

注意：在 c.cpp 中调用 b 库的函数时，需另外定义一个 b.h 头文件用于声明这些函数，并在 c.cpp 中通过 #include "b.h" 引入。

编译、安装与卸载流程

标准构建流程：建议采用外部构建 (Out-of-source build)，即创建独立的 build 目录，以实现源码与生成产物的物理隔离。

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cd <project>
mkdir build && cd build
cmake ..      # 读取上一层目录的 CMakeLists.txt 并生成 Makefile
make          # 执行编译
make install  # 执行安装 (需 CMakeLists.txt 中已配置 install 指令)

安装路径控制：第三方库的 install 指令通常会将头文件、库文件及可执行文件，分别放置到系统变量 CMAKE_INSTALL_PREFIX（默认为 /usr/local）下的 include/、lib/ 和 bin/ 目录中。

• 可通过参数改变安装路径：cmake -DCMAKE_INSTALL_PREFIX=<自定义路径> ..。

安全卸载：执行 make uninstall 卸载。若项目未提供 uninstall 规则，可前往原编译 build 目录中寻找 install_manifest.txt（记录了所有安装文件的绝对路径）。

• 手动卸载命令：xargs rm < install_manifest.txt。

依赖管理 (find_package)

用于在 CMake 中导入第三方库。基础语法：

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find_package(<PackageName> REQUIRED)

搜索机制：CMake 会依据一定的优先级寻找名为 <PackageName>Config.cmake 等配置清单。核心搜索路径包括

1. <PackageName>_DIR 变量
2. CMAKE_PREFIX_PATH 变量
3. 系统环境 PATH

CMake Package Registry: 若未执行 make install，但 find_package 依然能成功找到库，通常是因为 CMakeLists.txt 中使用了 export 指令。这会将构建路径注册到用户级注册表 ~/.cmake/package/<PackageName> 中。

调用变量：成功执行 find_package 后，CMake 会自动抛出该库的相关变量供后续链接使用，最常见的两个为

• <PackageName>_INCLUDE_DIRS (头文件路径)
• <PackageName>_LIBS (库文件名称)

Q & A

脚本执行方式对比 (source vs exec vs ./script)

• source: 在当前 Shell 环境中读取并执行指令（不创建子进程）。
• exec: 用新的进程替换当前 Shell 进程执行命令（执行完毕后，原 Shell 进程也会随之终止）。
• ./script: 派生 (Fork) 出一个新的子 Shell 环境，在其中执行命令；执行完毕后子 Shell 退出，返回父 Shell。

最佳实践：重新加载 .zshrc 配置时，强烈建议使用 exec zsh（直接替换当前进程以刷新环境），而非 source ~/.zshrc（可能导致环境变量无休止地累加或污染）。

macOS 与 Linux 核心命令链差异

Linux 默认使用 GNU 版本的核心工具集，而 macOS 默认使用 BSD 版本，两者的命令参数与行为存在差异。

• 解决方案：在 macOS 上可通过 Homebrew 安装 GNU 工具集：brew install coreutils。
• 使用方式：安装后的命令默认位于 /usr/local/bin，且带有 g 前缀（如 gls 代替 ls，gdate 代替 date）。
• 全局替换：若希望完全替代 macOS 自带命令，可在 /usr/local/bin 中为这些命令建立去掉 g 前缀的软链接。因为在系统默认的 PATH 环境变量中，/usr/local/bin 的优先级高于系统原生的 /usr/bin。

文件与目录命名规范

• 绝对禁忌：永远不要在文件或目录名称中使用空格。在命令行（特别是 Shell 脚本批处理）中，空格会被默认识别为参数分隔符，这会带来无尽的转义麻烦。
• 补救措施：若因历史遗留等客观原因无法避免带空格的命名，且仅涉及极少数文件或文件夹，建议在同级目录下为它们创建命名规范（如使用下划线 _ 或连字符 -）的软链接。

Trivia (冷知识)

• rc 后缀的含义：各类终端及软件配置文件（如 .bashrc, .zshrc, .vimrc）后缀中的 rc，其全称为 Run Commands。
• bash 的双关语谐音梗：早期的 Unix 主力 Shell 叫做 Bourne Shell（由 Stephen Bourne 开发，简称 sh）。后来 GNU 计划开发了一款强大的替代品，幽默地将其命名为 Bourne Again Shell，缩写即为 bash。这恰好与英文的 “born again” 完美同音。
• grep 名字的由来：它来源于早期 Unix 文本编辑器 ed 中的一条极其高频的操作指令 g/re/p。意思是 Global Regular Expression Print。
• Vim 方向键的历史遗留：其前身 vi 诞生时，作者 Bill Joy 使用的终端机上并没有独立的方向键，上下左右的箭头恰好印在 H J K L 这四个按键上；同时，Home 键和 ~ 波浪号也被整合在了同一个按键上。