使用Python編寫類UNIX系統(tǒng)的命令行工具的教程
引言
您是否能編寫命令行工具？也許您可以，但您能編寫出真正好用的命令行工具嗎？本文討論使用 Python 來創(chuàng)建一個強健的命令行工具，并帶有內(nèi)置的幫助菜單、錯誤處理和選項處理。由于一些奇怪的原因，很多人并不了解 Python? 的標準庫具有制作功能極其強大的 *NIX 命令行工具所需的全部工具。
可以這樣說，Python 是制作 *NIX 命令行工具的最佳語言，因為它依照“batteries-included”的哲學方式工作，并且強調(diào)提供可讀性高的代碼。但僅作為提醒，當您發(fā)現(xiàn)使用 Python 創(chuàng)建命令行工具是一件多么簡單的事情時，這些想法很危險，您的生活可能被攪得一團糟。據(jù)我所知，至今還沒有發(fā)表過詳細說明使用 Python 創(chuàng)建命令行工具的文章，因此我希望您喜歡這篇文章。
設置
Python 標準庫中的 optparse 模塊可完成創(chuàng)建命令行工具的大部分瑣碎工作。optparse 包含在 Python 2.3 中，因此該模塊將包括在許多 *NIX 操作系統(tǒng)中。如果由于某種原因，您使用的操作系統(tǒng)不包含所需要的模塊，那么值得慶幸的是，Python 的最新版本已經(jīng)過測試并編譯到幾乎任何 *NIX 操作系統(tǒng)中。Python 支持的系統(tǒng)包括 IBM? AIX?、HP-UX、Solaris、Free BSD、Red Hat Linux?、Ubuntu、OS X、IRIX，甚至包括幾種 Nokia 手機。
創(chuàng)建 Hello World 命令行工具
編寫優(yōu)秀的命令行工具的第一步是定義要解決的問題。這對您工具的成功至關重要。這對于以盡可能簡單的方法解決問題也同樣重要。這里明確地采用了 KISS（Keep It Simple Stupid，保持簡單）準則。只有在實現(xiàn)并測試了計劃內(nèi)功能之后才添加選項和增加其他功能。
我們首先從創(chuàng)建 Hello World 命令行工具開始。按照上面的建議，我們使用盡可能簡單的術語來定義問題。
問題定義：我希望創(chuàng)建一個命令行工具，默認打印 Hello World，并提供用于打印不通人的姓名的選項。
基于上述說明，可以提供一個包含少量代碼的解決方案。
Hello World 命令行接口 (CLI)
#!/usr/bin/env python
import optparse
def main():
p = optparse.OptionParser()
p.add_option('--person', '-p', default="world")
options, arguments = p.parse_args()
print 'Hello %s' % options.person
if __name__ == '__main__':
main()
如果運行此代碼，預期的輸出如下：
Hello world
但是，我們通過少量代碼所能做到的遠不止于此。我們可以獲得自動生成的幫助菜單：
python hello_cli.py --help
Usage: hello_cli.py [options]
Options:
-h, --help show this help message and exit
-p PERSON, --person=PERSON
從幫助菜單中可以了解到，我們可以使用兩種方法來更改 Hello World 的輸出：
python hello_cli.py -p guido Hello guido
我們還實現(xiàn)了自動生成的錯誤處理：
python hello_cli.py --name matz
Usage: hello_cli.py [options]
hello_cli.py: error: no such option: --name
如果您還沒有使用過 Python 的 optparse 模塊，那么您剛才可能會大吃一驚，并思忖使用 Python 可以編寫的所有這些不可思議的工具。如果您剛開始接觸 Python，那么您可能會驚訝于 Python 讓一切變得如此簡單?！癤KCD”網(wǎng)站發(fā)表了關于“Python 是如此簡單”主題的非常有趣的漫畫，已包括在參考資料中。
創(chuàng)建有用的命令行工具
既然我們已經(jīng)打好了基礎，我們就可以繼續(xù)創(chuàng)建解決特定問題的工具。對于本例，我們將使用 Python 的名為 Scapy 的網(wǎng)絡庫和交互式工具。Scapy 可以在大多數(shù) *NIX 系統(tǒng)上正常工作，可以在第 2 層和第 3 層上發(fā)送數(shù)據(jù)包，并允許您創(chuàng)建只有幾行 Python 代碼的非常復雜的工具。如果您希望按部就班從頭開始，請確保您正確地安裝了必要的軟件。
我們先定義要解決的新問題。
問題：我希望創(chuàng)建一個使用 IP 地址或子網(wǎng)作為參數(shù)的命令行工具，并向標準輸出返回 MAC 地址或 MAC 地址列表以及它們各自的 IP 地址。
既然我們已經(jīng)清楚地定義了問題，讓我嘗試將問題分解為盡可能簡單的部分，然后逐一解決這些部分。對于這一問題，我看到了兩個獨立的部分。第一部分是編寫接收 IP 地址或子網(wǎng)范圍的函數(shù)，并返回 MAC 地址或 MAC 地址列表。我們可以在解決此問題之后再考慮將其集成到命令行工具中。
解決方案第 1 部分：創(chuàng)建通過 IP 地址確定 MAC 地址的 Python 函數(shù)
arping from scapy import srp,Ether,ARP,conf conf.verb=0 ans,unans=srp(Ether(dst="ff:ff:ff:ff:ff:ff")/ARP(pdst="10.0.1.1"), timeout=2) for snd, rcv in ans: print rcv.sprintf(r"%Ether.src% %ARP.psrc%")
該命令的輸出是：
sudo python arping.py
00:00:00:00:00:01 10.0.1.1
請注意，使用 scapy 執(zhí)行操作要求提升的權限，因此我們必須使用 sudo。考慮到本文的目的，我還將實際輸出更改為包括偽 MAC 地址。我們已經(jīng)證實了我們可以通過 IP 地址找到 MAC 地址。我們需要整理此代碼以接受 IP 地址或子網(wǎng)并返回 MAC 地址和 IP 地址對。
arping 函數(shù)
#!/usr/bin/env python
from scapy import srp,Ether,ARP,conf
def arping(iprange="10.0.1.0/24"):
conf.verb=0
ans,unans=srp(Ether(dst="ff:ff:ff:ff:ff:ff")/ARP(pdst=iprange),
timeout=2)
collection = []
for snd, rcv in ans:
result = rcv.sprintf(r"%ARP.psrc% %Ether.src%").split()
collection.append(result)
return collection
#Print results
values = arping()
for ip,mac in values:
print ip,mac
正如您看到的，我們編寫了一個函數(shù)，該函數(shù)接受 IP 地址或網(wǎng)絡并返回嵌套的 IP/MAC 地址列表。我們現(xiàn)已為第二部分做好準備，為我們的工具創(chuàng)建一個命令行接口。
解決方案第 2 部分：從我們的 arping 函數(shù)創(chuàng)建命令行工具
在本例中，我們綜合本文前面部分的想法，創(chuàng)建一個能解決我們初始問題的完整命令行工具。
arping CLI
#!/usr/bin/env python
import optparse
from scapy import srp,Ether,ARP,conf
def arping(iprange="10.0.1.0/24"):
"""Arping function takes IP Address or Network, returns nested mac/ip list"""
conf.verb=0
ans,unans=srp(Ether(dst="ff:ff:ff:ff:ff:ff")/ARP(pdst=iprange),
timeout=2)
collection = []
for snd, rcv in ans:
result = rcv.sprintf(r"%ARP.psrc% %Ether.src%").split()
collection.append(result)
return collection
def main():
"""Runs program and handles command line options"""
p = optparse.OptionParser(description=' Finds MAC Address of IP address(es)',
prog='pyarping',
version='pyarping 0.1',
usage='%prog [10.0.1.1 or 10.0.1.0/24]')
options, arguments = p.parse_args()
if len(arguments) == 1:
values = arping(iprange=arguments)
for ip, mac in values:
print ip, mac
else:
p.print_help()
if __name__ == '__main__':
main()
對以上腳本進行幾點說明將有助于我們了解 optparse 的工作方式。
首先，必須創(chuàng)建 optparse.OptionParser() 的一個實例，并且接受如下所示的可選參數(shù)：
這些參數(shù)的含義基本上可以不言自明，但我希望確認的一點是，您應該了解 optparse 雖然功能強大，但并不是無所不能。它具有明確定義的接口，可用于快速創(chuàng)建命令行工具。
其次，在如下行中：
該行的作用是將選項和參數(shù)劃分為不同的位。在上述代碼中，我們預期恰有一個參數(shù)，因此我指定必須只有一個參數(shù)值，并將該值傳遞給 arping 函數(shù)。
if len(arguments) == 1:
values = arping(iprange=arguments)
為了進一步說明，讓我們運行下面的命令以了解其工作方式：
sudo python arping.py 10.0.1.1
10.0.1.1 00:00:00:00:00:01
在上述示例中，參數(shù)為 10.0.1.1，由于正如我在條件語句中指定的那樣只有一個參數(shù)，因此該參數(shù)被傳遞給 arping 函數(shù)。如果存在選項，它們將在 options, arguments = p.parse_args() 方法中傳遞給 options。讓我們看一下，當我們分解命令行工具的預期用例并賦予該用例兩個參數(shù)時將會發(fā)生什么情況：
sudo python arping.py 10.0.1.1 10.0.1.3
Usage: pyarping [10.0.1.1 or 10.0.1.0/24]
Finds MAC Address or IP address(es)
Options:
--version show program's version number and exit
-h, --help show this help message and exit
根據(jù)我為參數(shù)構建的條件語句的結構，如果參數(shù)的數(shù)目不為 1，它將自動打開幫助菜單：
if len(arguments) == 1:
values = arping(iprange=arguments)
for ip, mac in values:
print ip, mac
else:
p.print_help()
這是一種用于控制工具的工作方式的重要方法，因為您可以使用參數(shù)的個數(shù)或特定選項的名稱作為控制命令行工具的流程的機制。因為我們在最初的 Hello World 示例中涉及了選項的創(chuàng)建，接下來通過略微更改主函數(shù)向我們的命令行工具添加幾個選項：
arping CLI main 函數(shù)
def main():
"""Runs program and handles command line options"""
p = optparse.OptionParser(description='Finds MAC Address of IP address(es)',
prog='pyarping',
version='pyarping 0.1',
usage='%prog [10.0.1.1 or 10.0.1.0/24]')
p.add_option('-m', '--mac', action ='store_true', help='returns only mac address')
p.add_option('-v', '--verbose', action ='store_true', help='returns verbose output')
options, arguments = p.parse_args()
if len(arguments) == 1:
values = arping(iprange=arguments)
if options.mac:
for ip, mac in values:
print mac
elif options.verbose:
for ip, mac in values:
print "IP: %s MAC: %s " % (ip, mac)
else:
for ip, mac in values:
print ip, mac
else:
p.print_help()
所做的主要更改是創(chuàng)建了基于是否指定了某個選項的條件語句。請注意，與 Hello World 命令行工具不同，我們僅使用選項作為我們工具的 true/false 信號。對于 –MAC 選項的情況，如果指定了該選項，我們的條件語句 elif 將只打印 MAC 地址。
下面是新選項的輸出：
arping 輸出
sudo python arping2.py
Password:
Usage: pyarping [10.0.1.1 or 10.0.1.0/24]
Finds MAC Address of IP address(es)
Options:
--version show program's version number and exit
-h, --help show this help message and exit
-m, --mac returns only mac address
-v, --verbose returns verbose output
[ngift@M-6][H:11184][J:0]> sudo python arping2.py 10.0.1.1
10.0.1.1 00:00:00:00:00:01
[ngift@M-6][H:11185][J:0]> sudo python arping2.py -m 10.0.1.1
00:00:00:00:00:01
[ngift@M-6][H:11186][J:0]> sudo python arping2.py -v 10.0.1.1
IP: 10.0.1.1 MAC: 00:00:00:00:00:01
深入學習創(chuàng)建命令行工具
下面是幾個用于深入學習的新想法。在我正與別人合著的有關 Python *NIX 系統(tǒng)管理的書中對這些想法進行了深入的探討，該書將在 2008 年中期出版。
在命令行工具中使用 subprocess 模塊
subprocess 模塊包括在 Python 2.4 或更高版本中，是用于處理系統(tǒng)調(diào)用和流程的統(tǒng)一接口。您可以輕松替換上面的 arping 函數(shù)，以使用適用于您的特定 *NIX 操作系統(tǒng)的 arping 工具。以下是體現(xiàn)上述想法的粗略示例：
子流程 arping
import subprocess
import re
def arping(ipaddress="10.0.1.1"):
"""Arping function takes IP Address or Network, returns nested mac/ip list"""
#Assuming use of arping on Red Hat Linux
p = subprocess.Popen("/usr/sbin/arping -c 2 %s" % ipaddress, shell=True,
stdout=subprocess.PIPE)
out = p.stdout.read()
result = out.split()
pattern = re.compile(":")
for item in result:
if re.search(pattern, item):
print item
arping()
以下是該函數(shù)單獨運行時的輸出： [root@localhost]~# python pyarp.py [00:16:CB:C3:B4:10]
請注意使用 subprocess 來獲取 arping 命令的輸出，以及使用已編譯的正則表達式匹配 MAC 地址。注意，如果您使用的是 Python 2.3，則可以使用 popen 模塊替換 subprocess，后者在 Python 2.4 或更高版本中提供。
在命令行工具中使用對象關系映射器，如配合 SQLite 使用的 SQLAlchemy 或 Storm
命令行工具的另一個可能選項是使用 ORM（對象關系映射器）來存儲由命令行工具生成的數(shù)據(jù)記錄。有相當多的 ORM 可用于 Python，但 SQLAlchemy 和 Storm 恰好是最常用的兩個。我通過擲硬幣的方式?jīng)Q定使用 Storm 作為示例：
Storm ORM arping
#!/usr/bin/env python
import optparse
from storm.locals import *
from scapy import srp,Ether,ARP,conf
class NetworkRecord(object):
__storm_table__ = "networkrecord"
id = Int(primary=True)
ip = RawStr()
mac = RawStr()
hostname = RawStr()
def arping(iprange="10.0.1.0/24"):
"""Arping function takes IP Address or Network,
returns nested mac/ip list"""
conf.verb=0
ans,unans=srp(Ether(dst="ff:ff:ff:ff:ff:ff")/ARP(pdst=iprange),
timeout=2)
collection = []
for snd, rcv in ans:
result = rcv.sprintf(r"%ARP.psrc% %Ether.src%").split()
collection.append(result)
return collection
def main():
"""Runs program and handles command line options"""
p = optparse.OptionParser()
p = optparse.OptionParser(description='Finds MACAddr of IP address(es)',
prog='pyarping',
version='pyarping 0.1',
usage= '%prog [10.0.1.1 or 10.0.1.0/24]')
options, arguments = p.parse_args()
if len(arguments) == 1:
database = create_database("sqlite:")
store = Store(database)
store.execute("CREATE TABLE networkrecord "
"(id INTEGER PRIMARY KEY, ip VARCHAR,\
mac VARCHAR, hostname VARCHAR)")
values = arping(iprange=arguments)
machine = NetworkRecord()
store.add(machine)
#Creates Records
for ip, mac in values:
machine.mac = mac
machine.ip = ip
#Flushes to database
store.flush()
#Prints Record
print "Record Number: %r" % machine.id
print "MAC Address: %r" % machine.mac
print "IP Address: %r" % machine.ip
else:
p.print_help()
if __name__ == '__main__':
main()
本例中需要關注的主要內(nèi)容是創(chuàng)建名為 NetworkRecord 的類，該類映射到“內(nèi)存中”的 SQLite 數(shù)據(jù)庫。在 main 函數(shù)中，我將 arping 函數(shù)的輸出更改為映射到我們的記錄對象，將它們更新到數(shù)據(jù)庫，然后再將其取回以打印結果。這明顯不是一個可用于生產(chǎn)的工具，但可作為在我們的工具中使用 ORM 的相關步驟的說明性示例。
在 CLI 中集成 config 文件
Python INI config 語法
[AIX]
MAC: 00:00:00:00:02
IP: 10.0.1.2
Hostname: aix.example.com
[HPUX]
MAC: 00:00:00:00:03
IP: 10.0.1.3
Hostname: hpux.example.com
[SOLARIS]
MAC: 00:00:00:00:04
IP: 10.0.1.4
Hostname: solaris.example.com
[REDHAT]
MAC: 00:00:00:00:05
IP: 10.0.1.5
Hostname: redhat.example.com
[UBUNTU]
MAC: 00:00:00:00:06
IP: 10.0.1.6
Hostname: ubuntu.example.com
[OSX]
MAC: 00:00:00:00:07
IP: 10.0.1.7
Hostname: osx.example.com
接下來，我們需要使用 ConfigParser 模塊來解析上述內(nèi)容：
ConfigParser 函數(shù)
#!/usr/bin/env python
import ConfigParser
def readConfig(file="config.ini"):
Config = ConfigParser.ConfigParser()
Config.read(file)
sections = Config.sections()
for machine in sections:
#uncomment line below to see how this config file is parsed
#print Config.items(machine)
macAddr = Config.items(machine)[0][1]
print machine, macAddr
readConfig()
該函數(shù)的輸出如下：
OSX 00:00:00:00:07
SOLARIS 00:00:00:00:04
AIX 00:00:00:00:02
REDHAT 00:00:00:00:05
UBUNTU 00:00:00:00:06
HPUX 00:00:00:00:03
我將剩下的問題作為練習留給讀者來解決。我接下來要做的是將該 config 文件集成到我的腳本中，這樣我就可以將我的 config 文件中記錄的機器庫存與出現(xiàn)在 ARP 緩存中的 MAC 地址的實際庫存進行比較。IP 地址或主機名只在跟蹤到計算機時才能發(fā)揮其作用，但是我們實現(xiàn)的工具對于跟蹤網(wǎng)絡上存在的計算機的硬件地址并確定它以前是否出現(xiàn)在網(wǎng)絡上可能非常有用。
結束語
我們首先通過編寫幾行代碼創(chuàng)建了一個非常簡單但功能強大的 Hello World 命令行工具。然后使用 Python 網(wǎng)絡庫創(chuàng)建了一個復雜的網(wǎng)絡工具。最后，我們繼續(xù)討論一些更高級的研究領域以饗讀者。在高級研究部分，我們討論了 subprocess 模塊、對象關系映射器的集成，最后討論了配置文件。
雖然并不為眾人所知，但任何具有 IT 背景的讀者都可以使用 Python 輕松地創(chuàng)建命令行工具。我希望本文能夠激勵您親自動手創(chuàng)建全新的命令行工具。
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