Einführung in Unix/Linux für Naturwissenschaftler: Effizientes wissenschaftliches Arbeiten mit der Unix-Kommandozeile

222 Pages·2017·2.31 MB·German

by  Thomas Erben (auth.)

Thomas Erben
Einführung
in Unix/Linux
für Natur-
wissenschaftler
Effizientes wissenschaftliches Arbeiten
mit der Unix-Kommandozeile
Einführung in Unix/Linux für
Naturwissenschaftler
Thomas Erben
Einführung in Unix/Linux
für Naturwissenschaftler
Effizientes wissenschaftliches Arbeiten
mit der Unix-Kommandozeile
ThomasErben
Argelander-InstitutfürAstronomie
RheinischeFriedrich-Wilhelms-Universität
Bonn,Deutschland
ISBN:978-3-662-50300-3 ISBN:978-3-662-50301-0(eBook)
DOI10.1007/978-3-662-50301-0
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Vorwort
Dieses Buch entstand aus einem Skriptum der Vorlesung „Einführung in die EDV
fürPhysikerinnenundPhysiker“,dieichalsAstronom,zusammenmitKollegenaus
derPhysik,seitdemJahre2006anderUniversitätBonnbetreue.DieVeranstaltung
richtet sich an die jährlich ca. 150 Studienanfänger und soll nötige praktische
EDV-Kenntnisse für ein Bachelorstudium der Physik vermitteln. Dies beinhaltet
eine Einführung in Unix, welches in den Naturwissenschaften, vor allem im
universitärenBereich,dasvorherrschendeBetriebssystemist.DesWeiterenlehren
wir das Textsatzsystem LATEX zum Verfassen wissenschaftlicher Texte und führen
die Studenten in die Computerprogrammierung mit Python ein. Die erworbenen
KenntnissewerdenbeiderDurchführungvonPraktika,beiderspäterenVorlesung
„Numerische Methoden der Physik“ und vor allem in der Bachelorarbeit benötigt.
Die EDV wurde in Bonn zum Wintersemester 2006/2007 mit Einführung der
Bachelor- und Masterstudiengänge in den Lehrplan des Physikstudiums integriert.
Dies trägt der Tatsache Rechnung, dass Computer aus der täglichen Arbeit von
Physikern (und Naturwissenschaftlern im Allgemeinen) nicht mehr wegzudenken
und ein integraler Bestandteil eines jeden Forschungsprojekts sind. Die EDV-
Kenntnisse, die ein Student der Naturwissenschaften heute benötigt, gehen über
dashinaus,wassichdiemeistenwährenddessehrzeitintensivenBachelorstudiums
nebenher allein aneignen können. Die explizite Berücksichtigung der EDV im
Lehrplanstelltsicher,dassalleStudentenfürdieDurchführungderBachelorarbeit
undfürdieweiterewissenschaftlicheLaufbahnsolideGrundkenntnissebesitzen.
DasvorliegendeBuchdecktimWesentlichendenStoffdesUnix-Blocksunserer
Veranstaltung ab. Während wir für LATEX und Python auf vorhandene Literatur
zurückgreifen, wurde uns bei der stetigen Entwicklung des Unix-Blocks über die
Jahre klar, dass wir dies hier nicht konnten (oder wollten). Während es zwar eine
große Vielfalt an deutschsprachiger Literatur zu dem Thema gibt, existieren nur
wenigeBücher,diespeziellaufdieBedürfnissevonNaturwissenschaftlerneingehen
undaufdemtypischenKenntnisstandvonStudienanfängernaufbauen.Vorhandene
Literatur mit diesen Vorraussetzungen hatte nicht die Themenauswahl oder die
Tiefe,dieunserenVorstellungenentsprach.
Unser Unix-Block zielt primär darauf ab, den Studenten innerhalb von drei bis
vier Vorlesungswochen ein effizientes wissenschaftliches Arbeiten unter diesem
v
vi Vorwort
Betriebssystem zu ermöglichen. Dies reicht von der grundlegenden Benutzung
der Unix-Kommandozeile bis hin zu einer Einführung von Unix als Programmier-
undDatenanalyseumgebung.DieerstenJahreunsererVeranstaltunghabengezeigt,
dass viele Studenten dieses Ziel effizienter im Selbststudium direkt vor einem
ComputererreichenalsmiteinertraditionellenVorlesung.Wirhabendaherunsere
MaterialienschrittweiseerweitertundletztendlichfürdasSelbststudiumoptimiert.
Die Studenten erarbeiten wöchentlich einen Teil der Materialien in Heimarbeit
und vertiefen den Stoff in Übungen zusammen mit einem Tutor. Für diejenigen
Studenten, die eine audio-visuelle Präsentation des Stoffs (Vorlesung) der reinen
Schriftform vorziehen, haben wir das Material zusätzlich in Form von Videos
aufbereitet. Neben der reinen Vermittlung des Stoffes ist die Ausbildung zur
Selbsthilfe ein wesentliches Lernziel unseres Kurses. Bei einem so umfassenden
Themenkomplex wie Unix müssen wir uns bei der vorhandenen Zeit auf die
Vermittlung grundlegender Konzepte und einen Ausschnitt der Möglichkeiten
beschränken. Es ist daher unvermeidbar, dass sich die Studenten zur Vertiefung
des Stoffes oder bei auftretenden Problemen Informationen effizient beschaffen
können, z.B. aus dem Internet. Viele der Aufgaben unseres Kurses und dieses
Buches zielen, neben einer Vertiefung des Stoffes, explizit auf dieses Lernziel ab.
DievergangenenJahrehabengezeigt,dassauchStudenten,dieunsereVeranstaltung
nurmitgeringenVorkenntnissenbesuchthaben,dieLernzieleguterreichenkönnen.
MeineHauptmotivationfürdiesesBuchistes,dieErkenntnisseundMethodenzur
Vermittlung von Unix-Kenntnissen an Naturwissenschaftler, die ich mit meinen
Kollegen in den letzten zehn Jahren gesammelt habe, auch anderen zugänglich
zumachen.
Danksagungen: Mein herzlicher Dank gilt allen, die auf die eine oder andere
WeiseanderEntstehungdiesesBuchesbeteiligtwaren.
MeinbesondererDankgehtanmeineKollegenIanBrock,WolfgangEhrenfeld,
KlausLehnertz,JörgPretz,OliverCordes,MichaelDöring,PhilipBechtle,Thomas
VelzundanalleTutoren,mitdenenichindenletztenzehnJahrendieVeranstaltung
„EinführungindieEDV“haltenundentwickelndurfte.Diesehrfreundschaftliche
und bereichernde Zusammenarbeit bei dieser Vorlesung hat meine didaktischen
Vorstellungennachhaltiggeprägt.
AndieserStellemöchteichmeinerMutter,FrauChristaErben,danken,diemich
immerbedingungslosbeiallenmeinenProjektenunterstützt!
Tatkräftige Unterstützung bei der Fertigstellung des Buches habe ich von Ian
Brock, Dominik Klaes, Ole Marggraf und Peter Schneider erhalten. Sie haben
das gesamte Manuskript sehr ausführlich gelesen, mich auf viele Fehler und
Ungenauigkeiten aufmerksam gemacht und mir zahlreiche und konstruktive Ver-
besserungsvorschlägezukommenlassen.
Explizit bedanken möchte ich mich auch bei den Studenten, die über die Jahre
unsere Veranstaltung besucht haben. Dies gilt nicht nur für all diejenigen, die
stets motiviert waren und mir Freude bei der Vermittlung des Lehrstoffes bereitet
haben,sondernauchfürdiejenigen,dieSchwierigkeitenmitdemStoffhatten.Die
Probleme dieser Gruppe sind eine ständige Motivation zur Verbesserung und zur
ErkundungneuerWege.
Vorwort vii
FürdieUnterstützungdesSpringer-VerlagsbeimeinemerstenBuchprojektund
die fachkundige und angenehme Zusammenarbeit mit Frau Sabine Bartels, Frau
Margit Maly und Frau Vera Spillner bin ich sehr dankbar. Frau Tatjana Strasser
danke ich für ihre sehr akribische Korrektur von Rechtschreibung, Grammatik
undStil.
BonnimJuni2016 ThomasErben
Inhaltsverzeichnis
1 Einführung ................................................... 1
1.1 WarumUnix? ............................................ 2
1.2 Wichtige Gemeinsamkeiten und Unterschiede
zwischenUnixundMicrosoftWindows ....................... 2
1.3 GUIversusCLI:EinkonkretesBeispiel....................... 6
1.4 UnixversusLinux ........................................ 9
1.5 ZieledesBuches.......................................... 10
2 DasHOWTOzudiesemBuch ................................... 13
2.1 Themenauswahl .......................................... 13
2.2 HinweisezurBearbeitungdesStoffes ........................ 16
2.3 Textdarstellungen ......................................... 16
3 ErsterKontaktmitUnix ....................................... 19
3.1 Unix/LinuxaufeinemMicrosoftWindows-Rechnernutzen........ 20
3.2 ErsteTerminaleingaben .................................... 22
3.3 DieBash-Shell ........................................... 24
3.4 DerEditornano ......................................... 24
4 Unix-Kommandos ............................................. 27
4.1 DieAnatomieeinesUnix-Befehls............................ 27
4.2 HilfeundInformationenzuUnix-Kommandos ................. 29
5 DasUnix-Dateisystem .......................................... 33
5.1 DerUnix-Verzeichnisbaum ................................. 33
5.2 NavigationimUnix-Verzeichnisbaum ........................ 35
5.3 Datei-undVerzeichnismanipulation.......................... 37
5.4 VersteckteDateienundVerzeichnisse......................... 42
5.5 Wildcards ............................................... 43
6 DasUnix-Rechtesystem......................................... 49
6.1 DiePhilosophiedesUnix-Rechtesystems...................... 49
6.2 RechteundBenutzerklassen ................................ 50
6.3 ModifikationvonRechtenaneigenenDateienund
Verzeichnissen ........................................... 52
ix
x Inhaltsverzeichnis
7 TechnikenzumeffektivenUmgangmitderShell................... 55
7.1 KopierenundEinfügenmitderMaus......................... 55
7.2 TastenkürzelaufderKommandozeile......................... 56
7.3 Die<Tab>-Completion.................................... 56
7.4 DerHistory-Mechanismus.................................. 58
8 SonderzeichenderShell ........................................ 61
9 ProgrammausführungundProzesskontrolle ...................... 67
9.1 ProgrammausführungunterUnix ............................ 67
9.2 Unix-Prozesskontrolle ..................................... 69
9.2.1 Vorder-undHintergrundprozesseverwalten ............ 69
9.2.2 Prozessefindenundbeenden ........................ 71
9.2.3 LanglaufendeProzesseverwalten .................... 73
10 Shell-Konfiguration............................................ 77
10.1 Shell-Variablen........................................... 77
10.2 Unix-BefehleauseinerDateiausführen ....................... 82
10.2.1 Befehlsabarbeitung ohneEinflussaufdie
gegenwärtigeShell-Umgebung....................... 82
10.2.2 Befehlsabarbeitung mit Einfluss auf die
gegenwärtigeShell-Umgebung....................... 83
10.3 DieShell-Konfigurationsdateien.bash_profile
und.bashrc ........................................... 84
10.4 NützlicheKonfigurationen.................................. 87
10.4.1 WichtigeUmgebungsvariablen....................... 87
10.4.2 Alias-Definitionen ................................. 89
11 Dateienfindenmitdemfind-Kommando ........................ 93
12 TextdateienunterUnix ........................................ 97
12.1 TextdateiistnichtgleichTextdatei ........................... 97
12.1.1 TextdateienaufverschiedenenBetriebssystemen ........ 97
12.1.2 DatentypenunterUnixunddasfile-Kommando....... 99
12.1.3 TextdateienmitinternationalenSonderzeichen .......... 99
12.2 ASCII-Textdateieneffektivanzeigen .........................101
12.3 DatenspeicherunginnerhalbvonASCII-Textdateien.............102
13 DatenströmeundDatenpipelines ................................105
13.1 DieAusgabeströmeSTDOUTundSTDERR ...................105
13.2 DerEingabestromSTDIN .................................108
13.3 PipelinesausUnix-Befehlen ................................110
14 Unix-WerkzeugezurArbeitmitASCII-Textdateien ................115
14.1 FindenvonTextinASCII-Dateienmitgrep ..................115
14.2 BearbeitungspaltenorientierterDateienmitawk ...............118
14.3 Dateiensortierenmitsortunduniq .......................119
Inhaltsverzeichnis xi
15 Shell-Skripte..................................................125
15.1 DasHallo-Welt-Shell-Skript ................................125
15.1.1 Shell-SkriptealsausführbareProgramme ..............126
15.1.2 VariablenunddieKommandosubstitution ..............127
15.2 Diefor-Schleife .........................................132
15.3 Shell-SkriptealsWrapperfürkomplexereAnalysen.............137
15.3.1 ArgumentefürShell-Skripte.........................138
15.3.2 Prozesseparallelisieren .............................142
15.4 ZusammenfassungundBemerkungen ........................148
AnhangA ReguläreAusdrücke ....................................151
A.1 FindenvonTextmusternmitgrep ..........................151
A.1.1 EinfacheZeichenketten .............................154
A.1.2 Zeichenklassen....................................154
A.1.3 WiederholungvonZeichenundZeichenklassen .........156
A.1.4 Verankerungen ....................................158
A.1.5 ZusammenfassungundBemerkungen .................162
AnhangB DateienunterUnixarchivierenundkomprimieren ..........165
AnhangC DeutscheversusenglischeUnix-Umgebungen...............169
C.1 DeutscheversusenglischeTastatur...........................170
C.2 DeutscheversusenglischeSpracheinstellungen.................170
AnhangD Literaturhinweise.......................................173
D.1 Unix/Linux-Anfängerliteratur ...............................174
D.2 Unix/Linux-Referenzmaterialien .............................174
D.3 awk-Literatur ............................................175
D.4 Shell-Skripte.............................................175
AnhangE LösungsvorschlägezudenAufgaben ......................177
Sachverzeichnis ...................................................217