PowerShell 详解与使用技巧

PowerShell 是微软开发的一种命令行 shell 和脚本语言，专为系统管理和自动化设计。它基于 .NET Framework (Windows PowerShell) 或 .NET Core (PowerShell Core / PowerShell 7+)，提供了比传统命令行工具（如 CMD 或 Bash）更强大、更统一且面向对象的管理体验。PowerShell 不仅限于 Windows 平台，现在已跨平台支持 Linux 和 macOS。

核心思想：“一切皆对象”。PowerShell 不像传统 shell 那样处理文本流，而是处理 .NET 对象。这意味着命令的输出可以直接作为另一个命令的输入，且数据类型和结构得以保留，极大地提升了脚本编写的效率和健壮性。

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一、PowerShell 的起源与演进

传统的 Windows 命令行工具（CMD）在自动化和复杂任务处理方面存在显著局限性，其主要问题是基于文本处理，使得数据解析和传递变得复杂且易出错。为了解决这些问题，微软开发了 PowerShell（最初名为 Monad），并于 2006 年发布。

1.1 Windows PowerShell (旧版)

• 基于 .NET Framework：与 Windows 操作系统紧密集成，通常预装在 Windows 系统中。
• 版本：从 1.0 到 5.1。Windows PowerShell 5.1 是最新且最后一个基于 .NET Framework 的版本，仍然广泛用于传统 Windows 环境。

1.2 PowerShell Core / PowerShell 7+ (新版，推荐)

• 基于 .NET Core / .NET：实现了跨平台特性，支持 Windows、Linux 和 macOS。
• 开源：PowerShell Core 是一个开源项目，积极迭代更新。
• 版本：从 6.0 (PowerShell Core) 到当前的 PowerShell 7.x 系列。
• 优势：
  • 跨平台：统一了多操作系统下的管理体验。
  • 性能提升：得益于 .NET Core 的优化。
  • 新特性：持续引入新的 cmdlet 和语言功能。

本文后续将主要关注 PowerShell 7+ 及其核心概念。

二、为什么选择 PowerShell？

与传统的命令行工具和脚本语言相比，PowerShell 具有显著优势：

1. 面向对象：这是 PowerShell 最核心的特性。命令输出的是对象，而不是纯文本。这意味着你可以直接访问对象的属性和方法，而无需进行复杂的文本解析。
   • 示例 (传统 CMD)：

     dir | findstr "txt"

     输出是文本，你需要用 findstr 等工具进行字符串匹配。
   • 示例 (PowerShell)：

     Get-ChildItem | Where-Object {$_.Extension -eq ".txt"}

     Get-ChildItem 输出的是文件和文件夹对象，你可以通过 Where-Object 直接筛选 Extension 属性。
2. 强大的管道 (Pipeline)：利用管道 |，一个命令的输出对象可以无缝传递给下一个命令作为输入，实现复杂任务的链式处理。
3. 统一的管理接口：通过 PowerShell 的“提供程序 (Providers)”机制，你可以像操作文件系统一样操作注册表、证书存储、环境变量、活动目录等，极大地简化了系统管理。
4. 丰富的命令集 (Cmdlets)：PowerShell 提供了数千个预定义的 cmdlet，覆盖了文件系统、进程管理、网络、服务、事件日志等几乎所有系统管理领域。
5. 易学易用：遵循 Verb-Noun 的命名约定，使得 cmdlet 名称直观易懂（如 Get-Process、Set-Service）。内置的帮助系统也非常完善。
6. 强大的脚本能力：支持变量、循环、条件判断、函数、模块等高级编程特性，可以编写复杂的自动化脚本。
7. 远程管理：内置强大的远程执行能力，可以方便地管理远程 Windows、Linux 服务器。

三、PowerShell 核心概念详解

3.1 Cmdlet (Command-let)

定义：Cmdlet 是 PowerShell 命令行中的基本命令单元。它们通常由 C# 编写，并编译成 .NET 类。Cmdlet 的设计目标是执行单一、特定任务。

命名约定：所有 cmdlet 都遵循 Verb-Noun 的命名约定，例如：

• Get-Process：获取正在运行的进程。
• Set-Service：配置服务。
• New-Item：创建新项（文件、文件夹、注册表项等）。
• Remove-Item：删除项。

这种命名方式使得命令更具可预测性，用户可以很容易地猜测命令的功能。

3.2 对象 (Objects)

定义：在 PowerShell 中，命令的输出不是简单的文本字符串，而是结构化的 .NET 对象。每个对象都包含属性（Properties）和方法（Methods）。

优势：

• 数据结构完整：输出数据保留了其原始的数据类型和结构，避免了文本解析的麻烦。
• 易于操作：可以直接访问和操作对象的属性，进行筛选、排序和选择。

示例：

Get-Process | Get-Member -MemberType Property

Get-Process 命令会返回一系列 System.Diagnostics.Process 对象，每个对象都代表一个运行中的进程，包含诸如 ProcessName、Id、CPU 等属性。Get-Member 命令可以显示对象的属性和方法。

3.3 管道 (Pipeline)

定义：管道是 PowerShell 中连接命令的核心机制，使用 | 符号表示。它允许一个 cmdlet 的输出对象直接作为下一个 cmdlet 的输入对象。

工作原理：

1. 第一个命令执行并生成对象。
2. 这些对象通过管道传递给第二个命令。
3. 第二个命令接收这些对象作为输入，并对其进行处理，然后将处理结果（可能是新的对象或修改后的原对象）传递给下一个命令。

示例：
查找所有 CPU 使用率超过 50% 的进程，并按 CPU 使用率降序排列，然后只显示进程名和 ID：

Get-Process |                 # 获取所有进程对象
Where-Object {$_.CPU -gt 50} | # 筛选 CPU 属性大于 50 的进程
Sort-Object -Property CPU -Descending | # 按 CPU 属性降序排序
Select-Object -Property ProcessName,Id   # 选择并只显示 ProcessName 和 Id 属性

管道流程图示：

3.4 提供程序 (Providers)

定义：PowerShell 提供程序允许你以统一的方式（如同文件系统路径一样）访问和管理不同类型的数据存储。

常见提供程序：

• FileSystem：访问文件和目录。
• Registry：访问 Windows 注册表。
• Alias：访问 PowerShell 别名。
• Variable：访问 PowerShell 变量。
• Certificate：访问证书存储。
• Environment：访问环境变量。

示例：

• 查看注册表 HKLM:\SOFTWARE 下的内容：

  Get-ChildItem HKLM:\SOFTWARE

• 进入环境变量路径，查看所有环境变量：

  Set-Location Env:
  Get-ChildItem

3.5 模块 (Modules)

定义：模块是组织和分发 PowerShell 代码的方式。它们包含 cmdlet、函数、变量和其他资源，可以导入到 PowerShell 会话中以扩展功能。

常见操作：

• Get-Module：列出当前会话中已加载或可用的模块。
• Import-Module：导入特定模块。
• Remove-Module：移除模块。

示例：

Get-Module -ListAvailable # 列出所有可用的模块
Import-Module -Name Az.Accounts # 导入 Azure PowerShell 模块的一个组件

四、PowerShell 基本使用与常见 Cmdlet

4.1 获取帮助

• Get-Help <CmdletName>：获取指定 cmdlet 的详细帮助信息。
• Get-Help <CmdletName> -Full：获取完整帮助，包括参数、示例和相关链接。
• Get-Help <CmdletName> -Examples：只显示示例。
• Update-Help：首次使用时，更新本地的帮助文件，以获取最新帮助文档。

4.2 文件和目录管理

• Get-ChildItem (别名 ls, dir)：获取文件和文件夹。

  Get-ChildItem -Path C:\Users\YourUser -File -Recurse -Filter "*.log"

• New-Item：创建文件或文件夹。

  New-Item -Path C:\Temp\MyFolder -ItemType Directory
  New-Item -Path C:\Temp\MyFile.txt -ItemType File -Value "Hello, PowerShell!"

• Remove-Item (别名 del, rm)：删除文件或文件夹。

  Remove-Item -Path C:\Temp\MyFile.txt
  Remove-Item -Path C:\Temp\MyFolder -Recurse -Force # 强制递归删除文件夹及其内容

• Move-Item (别名 mv)：移动文件或文件夹。

  Move-Item -Path C:\Temp\MyFile.txt -Destination C:\NewLocation\

• Copy-Item (别名 cp)：复制文件或文件夹。

  Copy-Item -Path C:\Temp\MyFile.txt -Destination C:\Backup\

• Get-Content (别名 cat, type)：获取文件内容。

  Get-Content -Path C:\Temp\MyFile.txt

• Set-Content：设置或覆盖文件内容。

  Set-Content -Path C:\Temp\MyFile.txt -Value "New content."

• Add-Content：向文件追加内容。

  Add-Content -Path C:\Temp\MyFile.txt -Value "`nAppended line." # `n 是换行符

4.3 进程和服务管理

• Get-Process (别名 ps)：获取正在运行的进程。

  Get-Process -Name chrome,firefox | Select-Object -Property Id,ProcessName,CPU,WorkingSet

• Stop-Process：停止进程。

  Stop-Process -Name "notepad"
  Stop-Process -Id 1234 -Force # 强制停止

• Get-Service：获取服务信息。

  Get-Service -Name wuauserv | Select-Object -Property Name,Status,DisplayName

• Start-Service：启动服务。

  Start-Service -Name wuauserv

• Stop-Service：停止服务。

  Stop-Service -Name wuauserv

• Restart-Service：重启服务。

  Restart-Service -Name wuauserv

4.4 数据筛选、排序与格式化

• Where-Object (别名 where)：筛选对象。

  Get-Process | Where-Object {$_.CPU -gt 50 -and $_.ProcessName -notlike "Idle"}

  • $_ 代表当前管道中的对象。
  • -eq 等于, -ne 不等于, -gt 大于, -ge 大于等于, -lt 小于, -le 小于等于
  • -like 字符串模式匹配 (通配符 *)
  • -notlike 非模式匹配
  • -match 正则表达式匹配
  • -notmatch 非正则表达式匹配
  • -contains 集合包含
  • -notcontains 集合不包含
  • -in 在集合中
  • -notin 不在集合中
• Sort-Object (别名 sort)：对对象进行排序。

  Get-Service | Sort-Object -Property Status,Name -Descending

• Select-Object (别名 select)：选择对象的特定属性。

  Get-EventLog -LogName System -Newest 10 | Select-Object -Property TimeGenerated,Source,Message

• Format-Table (别名 ft)：将对象格式化为表格。

  Get-Process | Select-Object -First 5 | Format-Table -AutoSize

• Format-List (别名 fl)：将对象格式化为列表，显示所有属性。

  Get-Process -Name "powershell" | Format-List -Property *

• ConvertTo-Json / ConvertFrom-Json：转换为 JSON / 从 JSON 转换。
• ConvertTo-Csv / Import-Csv / Export-Csv：处理 CSV 文件。

五、PowerShell 脚本编程

PowerShell 是一种功能齐全的脚本语言，支持变量、控制流、函数等。

5.1 变量

• 使用 $ 符号定义变量。

  $myString = "Hello, World!"
  $myNumber = 123
  $myArray = @("apple", "banana", "cherry")
  $myHash = @{"Name" = "Alice"; "Age" = 30}

5.2 条件语句 (If-ElseIf-Else)

$score = 85
if ($score -ge 90) {
    Write-Host "A"
} elseif ($score -ge 80) {
    Write-Host "B"
} else {
    Write-Host "C"
}

5.3 循环语句

• ForEach 循环：

  $numbers = @(10, 20, 30)
  foreach ($num in $numbers) {
      Write-Host "Number is: $num"
  }
  
  # 管道中的 ForEach-Object (别名 %)
  1..5 | ForEach-Object {
      "Processing $_" # $_ 代表当前管道中的元素
  }

• For 循环：

  for ($i = 0; $i -lt 5; $i++) {
      Write-Host "Iteration: $i"
  }

• While 循环：

  $count = 0
  while ($count -lt 3) {
      Write-Host "Count: $count"
      $count++
  }

5.4 函数

function Get-MyCurrentPath {
    param (
        [string]$Path = (Get-Location).Path # 定义一个带默认值的参数
    )
    Write-Host "Current path is: $Path"
    return $Path # 函数可以返回值
}

Get-MyCurrentPath
Get-MyCurrentPath -Path "C:\Windows"

5.5 错误处理 (Try-Catch-Finally)

try {
    # 尝试执行可能出错的代码
    Get-Item -Path "NonExistentFile.txt" -ErrorAction Stop # ErrorAction Stop 会将错误转换为终止错误
    Write-Host "This line will not execute if an error occurs."
} catch {
    # 捕获并处理错误
    Write-Host "An error occurred: $($_.Exception.Message)"
} finally {
    # 无论是否发生错误，都会执行的代码
    Write-Host "Error handling block finished."
}

5.6 PowerShell 脚本示例

以下是一个简单的 PowerShell 脚本，用于获取并显示系统中所有正在运行的服务，并按名称排序，然后将状态为“正在运行”的服务写入日志文件。

Get-RunningServices.ps1

# 定义日志文件路径
$logFilePath = "C:\Temp\RunningServices.log"

# 确保日志目录存在
if (-not (Test-Path (Split-Path $logFilePath))) {
    New-Item -ItemType Directory -Path (Split-Path $logFilePath) | Out-Null
}

# 获取所有服务，筛选出正在运行的服务，按名称排序
$runningServices = Get-Service |
                   Where-Object {$_.Status -eq "Running"} |
                   Sort-Object -Property Name |
                   Select-Object -Property Name,DisplayName,Status,StartType

# 输出到控制台
Write-Host "--- 正在运行的服务清单 ---"
$runningServices | Format-Table -AutoSize

# 将结果写入日志文件
try {
    $currentTime = Get-Date -Format "yyyy-MM-dd HH:mm:ss"
    Add-Content -Path $logFilePath -Value ("`n--- 服务状态报告: {0} ---`n" -f $currentTime)
    $runningServices | Out-String | Add-Content -Path $logFilePath
    Write-Host "`n服务清单已成功写入日志文件: $logFilePath" -ForegroundColor Green
} catch {
    Write-Host "`n写入日志文件时发生错误: $($_.Exception.Message)" -ForegroundColor Red
}

Write-Host "--------------------------"

执行脚本：

1. 保存为 .ps1 文件。
2. 在 PowerShell 中运行：.\Get-RunningServices.ps1
3. 如果遇到执行策略问题，可能需要更改执行策略：Set-ExecutionPolicy RemoteSigned -Scope CurrentUser (仅限当前用户允许运行签名脚本和本地脚本)。

六、高级特性 (简述)

• 远程管理：使用 Invoke-Command 在远程计算机上执行脚本或命令。
• Desired State Configuration (DSC)：一种配置管理平台，用于定义和部署服务器的期望状态。
• Classes 和 Enums：PowerShell 5.0+ 引入了面向对象编程的类和枚举支持。
• 后台作业 (Jobs)：使用 Start-Job 在后台运行命令或脚本。
• 事件日志管理：Get-WinEvent / Get-EventLog。
• 网络操作：Invoke-WebRequest (别名 wget, curl) 用于 HTTP 请求。

七、开发环境与工具

1. PowerShell 控制台：基本的命令行界面。
2. PowerShell ISE (Integrated Scripting Environment)：Windows 上的经典 PowerShell IDE，提供语法高亮、自动补全、调试器等。
3. Visual Studio Code (VS Code)：推荐的跨平台 PowerShell 开发环境。安装 PowerShell 扩展后，VS Code 提供了卓越的脚本编辑、调试、智能提示和集成终端体验。

八、安全性考虑

1. 执行策略 (Execution Policy)：PowerShell 的安全功能，用于控制哪些脚本可以运行。
   • Get-ExecutionPolicy：查看当前策略。
   • Set-ExecutionPolicy：设置策略。
   • 策略类型：
     • Restricted：默认策略，不允许任何脚本运行。
     • AllSigned：只允许运行由受信任的发布者签名的脚本。
     • RemoteSigned：允许本地创建的脚本运行，但从互联网下载的脚本必须签名。
     • Unrestricted：允许所有脚本运行 (不推荐)。
     • Bypass：无任何限制或警告 (仅限自动化工具使用)。
2. 凭据管理：避免在脚本中硬编码敏感信息。使用 Get-Credential 获取凭据对象，或集成密码管理解决方案。
3. 日志记录：记录脚本的执行活动和结果，便于审计和故障排除。
4. 最小权限原则：运行 PowerShell 脚本时，确保使用具有所需最低权限的账户。

九、总结

PowerShell 凭借其面向对象的特性、强大的管道机制和跨平台能力，已经成为现代系统管理和自动化的核心工具。无论是管理 Windows 服务器、Azure 云资源，还是在 Linux 和 macOS 环境中进行自动化操作，PowerShell 都能提供统一、高效且功能丰富的解决方案。掌握 PowerShell 能够显著提升IT专业人员和开发者的工作效率，是现代IT技能栈中不可或缺的一部分。深入理解其核心概念并结合实践，将使您能够构建出强大而健壮的自动化脚本。