计算机终端（计算机终端包括什么）

　　计算机终端（计算机终端包括什么）你可能听说过TTY和PTY这些缩写，也在dev目录下看到过devtty〔n〕设备，大概知道它们和Linux终端的概念有关。可是你清楚TTY、PTY具体指的是什么，它们有什么区别，以及它们和shell又是什么关系呢？为了理解这些，我们需要先回顾一下历史。回顾历史
　　在计算机诞生之前，人们发明了Teleprinter（电传打字机），通过长长的电线点对点连接，发送和接收打印的信息，用于远距离传输电报信息。
　　Teleprinter也可以写成teletypewriter或teletype。
　　后来人们将Teleprinter连接到早期的大型计算机上，作为输入和输出设备，将输入的数据发送到计算机，并打印出响应。
　　在今天你很难想象程序的运行结果需要等到打印出来才能看到，Teleprinter设备已经进了计算机博物馆。现在我们用TTY代表计算机终端（terminal），只是沿用了历史习惯，电传打字机（teletypewriter）曾经是计算机的终端，它的缩写便是TTY（TeleTYpewriter）。
　　为了把不同型号的电传打字机接入计算机，需要在操作系统内核安装驱动，为上层应用屏蔽所有的低层细节。
　　电传打字机通过两根电缆连接：一根用于向计算机发送指令，一根用于接收计算机的输出。这两根电缆插入UART（UniversalAsynchronousReceiverandTransmitter，通用异步接收和发送器）的串行接口连接到计算机。
　　操作系统包含一个UART驱动程序，管理字节的物理传输，包括奇偶校验和流量控制。然后输入的字符序列被传递给TTY驱动，该驱动包含一个linediscipline。
　　linediscipline负责转换特殊字符（如退格、擦除字、清空行），并将收到的内容回传给电传打字机，以便用户可以看到输入的内容。linediscipline还负责对字符进行缓冲，当按下回车键时，缓冲的数据被传递给与TTY相关的前台用户进程。用户可以并行的执行几个进程，但每次只与一个进程交互，其他进程在后台工作。终端模拟器（terminalemulator）
　　今天电传打字机已经进了博物馆，但LinuxUnix仍然保留了当初TTY驱动和linediscipline的设计和功能。终端不再是一个需要通过UART连接到计算机上物理设备。终端成为内核的一个模块，它可以直接向TTY驱动发送字符，并从TTY驱动读取响应然后打印到屏幕上。也就是说，用内核模块模拟物理终端设备，因此被称为终端模拟器（terminalemulator）。
　　上图是一个典型的Linux桌面系统。终端模拟器就像过去的物理终端一样，它监听来自键盘的事件将其发送到TTY驱动，并从TTY驱动读取响应，通过显卡驱动将结果渲染到显示器上。TTY驱动和linediscipline的行为与原先一样，但不再有UART和物理终端参与。
　　如何看到一个终端模拟器呢？在Ubuntu20桌面系统上，按CtrlAltF3就会得到一个由内核模拟的TTY。Linux上这种模拟的文本终端也被称为虚拟终端（Virtualconsoles）。每个虚拟终端都由一个特殊的设备文件devtty〔n〕所表示，与这个虚拟终端的交互，是通过对这个设备文件的读写操作，以及使用ioctl系统调用操作这个设备文件进行的。通过执行tty命令可以查看代表当前虚拟终端的设备文件：ttydevtty3
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　　可以看到，当前终端的设备文件是devtty3，也就是通过CtrlAltF3得到的虚拟终端。
　　你可以通过CtrlAltF3到CtrlAltF6在几个虚拟终端之间切换。按CtrlAltF2回到桌面环境。X系统也是运行在一个终端模拟器上，在Ubuntu20上它对应的设备是devtty2，这也是为什么使用CtrlAltF2可以切换到X系统的原因。
　　我们可以看看X系统打开的文件中是否包含了设备文件devtty2。先查找X系统的PID：psauxgrepXorgmazhen14040。10。674188449996tty2Sl08：070：13usrlibxorgXorgvt2displayfd3authrunuser1000gdmXauthoritybackgroundnonenoresetkeepttyverbose3
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　　再看看这个进程（1404）打开了哪些文件：llproc1404fd总用量0drx2mazhenmazhen07月1008：07。drxrxrx9mazhenmazhen07月1008：07。。lrwx1mazhenmazhen647月1008：070devtty2lrwx1mazhenmazhen647月1008：07139；socket：〔39965〕39；lrwx1mazhenmazhen647月1010：091039；socket：〔34615〕39；。。。
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　　可以看到，X系统确实打开了devtty2。
　　再做一个有趣的实验，在tty3下以root用户身份执行echo命令：echohellofromtty3devtty4
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　　再按CtrlAltF4切换到tty4，能看到从tty3发送来的信息。伪终端（pseudoterminal，PTY）
　　终端模拟器（terminalemulator）是运行在内核的模块，我们也可以让终端模拟程序运行在用户区。运行在用户区的终端模拟程序，就被称为伪终端（pseudoterminal，PTY）。
　　PTY运行在用户区，更加安全和灵活，同时仍然保留了TTY驱动和linediscipline的功能。常用的伪终端有xterm，gnometerminal，以及远程终端ssh。我们以Ubuntu桌面版提供的gnometerminal为例，介绍伪终端如何与TTY驱动交互。
　　PTY是通过打开特殊的设备文件devptmx创建，由一对双向的字符设备构成，称为PTYmaster和PYTslave。
　　gnometerminal持有PTYmaster的文件描述符devptmx。gnometerminal负责监听键盘事件，通过PTYmaster接收或发送字符到PYTslave，还会在屏幕上绘制来自PTYmaster的字符输出。
　　gnometerminal会fork一个shell子进程，并让shell持有PYTslave的设备文件devpts〔n〕，shell通过PYTslave接收字符，并输出处理结果。
　　PTYmaster和PYTslave之间是TTY驱动，会在master和slave之间复制数据，并进行会话管理和提供linediscipline功能。
　　在gnometerminal中执行tty命令，可以看到代表PYTslave的设备文件：ttydevpts0
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　　执行psl命令，也可以确认shell关联的伪终端是pts0：pslFSUIDPIDPPIDCPRINIADDRSZWCHANTTYTIMECMD0S10001842183208003423dowaipts000：00：00bash0R10001897184208003626pts000：00：00ps
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　　注意到TTY这一列指出了当前进程的终端是pts0。
　　我们以实际的例子，看看在terminal执行一个命令的全过程。
　　我们在桌面启动终端程序gnometerminal，它向操作系统请求一个PTYmaster，并把GUI绘制在显示器上
　　gnometerminal启动子进程bash
　　bash的标准输入、标准输出和标准错误都设置为PYTslave
　　gnometerminal监听键盘事件，并将输入的字符发送到PTYmaster
　　linediscipline收到字符，进行缓冲。只有当你按下回车键时，它才会把缓冲的字符复制到PYTslave。
　　linediscipline在接收到字符的同时，也会把字符写回给PTYmaster。gnometerminal只会在屏幕上显示来自PTYmaster的东西。因此，linediscipline需要回传字符，以便让你看到你刚刚输入的内容。
　　当你按下回车键时，TTY驱动负责将缓冲的数据复制到PYTslave
　　bash从标准输入读取输入的字符（例如lsl）。注意，bash在启动时已经将标准输入被设置为了PYTslave
　　bash解释从输入读取的字符，发现需要运行ls
　　bashfork出ls进程。bashfork出的进程拥有和bash相同的标准输入、标准输出和标准错误，也就是PYTslave
　　ls运行，结果打印到标准输出，也就是PYTslave
　　TTY驱动将字符复制到PTYmaster
　　gnometerminal循环从PTYmaster读取字节，绘制到用户界面上。Shell
　　我们经常不去区分terminal和Shell，会说打开一个terminal，或打开一个Shell。从前面介绍的命令执行过程可以看出，Shell不处理键盘事件，也不负责字符的显示，这是terminal要为它处理好的。
　　Shell是用户空间的应用程序，通常由terminalfork出来，是terminal的子进程。Shell用来提示用户输入，解释用户输入的字符，然后处理来自底层操作系统的输出。
　　通常我们使用较多的shell有Bash、Zsh和sh。配置TTY设备
　　内核将使用TTY驱动来处理terminal和Shell之间的通信。linediscipline是TTY驱动的一个逻辑组件。linediscipline主要有以下功能：
　　当用户输入时，字符会被回传到PTYmaster
　　linediscipline会在内存中缓冲这些字符。当用户按回车键时，它才将这些字符发送到PYTslave
　　linediscipline可以拦截处理一些特殊的功能键，例如：
　　当用户按CTRLc时，它向连接到PYTslave的进程发送kill2（SIGINT）信号
　　当用户按CTRLw时，它删除用户输入的最后一个字
　　当用户按CTRLz时，它向连接到PYTslave的进程发送killSTOP信号
　　当用户按退格键时，它从缓冲区中删除该字符，并向PTYmaster发送删除最后一个字符的指令
　　我们可以使用命令行工具stty查询和配置TTY，包括linediscipline规则。在terminal执行sttya命令：sttyaspeed38400rows40；columns80；line0；intrC；erase？；killU；eofD；；eol2；；startQ；stopS；suspZ；rprntR；weraseW；lnextV；discardO；min1；time0；parenbparoddcmsparcs8hupclcstopbcreadclocalcrtsctsignbrkbrkintignparparmrkinpckistripinlcrigncricrnlixonixoffiuclcixanyimaxbeliutf8opostolcucocrnlonlcronocronlretofillofdelnl0cr0tab0bs0vt0ff0isigicanoniextenechoechoeechokechonlnoflshxcasetostopechoprtechoctlechokeflushoextproc
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　　a标志告诉stty返回所有的设置，包括TTY的特征和linediscipline规则。
　　让我们看一下第一行：
　　speed表示波特率。当terminal和计算机通过物理线路连接时，speed后的数字表示物理线路的波特率。波特率对PTY来说是没有意义。
　　rows，columns表示terminal的行数和列数，以字符为单位。
　　line表示linediscipline的类型。0是NTTY。
　　stty能够对terminal进行设置，让我们做个简单的测试验证一下。在第一个terminal中使用vi编辑一个文件。vi在启动时会查询当前terminal的大小，以便vi能填满整个窗口。这时候我们在另一个terminal中输入：sttyFdevpts0rows20
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　　这个命令将终端pts0的行数设置为原来的一半，这将更新内核中TTY的数据结构，并向vi发送一个SIGWINCH信号，vi接收到该信号后将根据TTY新的行列数重新绘制自己，这时vi就只使用了可用窗口区域的上半部分。
　　sttya输出的第二行给出了linediscipline能处理的所有特殊字符，包含了键的绑定。例如intrC是指将CTRLc映射到kill2（SIGINT）信号。你也可以更改这个绑定，例如执行sttyintro命令，将发送SIGINT信号的键从CTRLc换成了字符o。
　　最后，sttya列出了一系列linediscipline规则的开关。表示开关是关闭的，否则开关就是打开的。所有的开关在manstty中都有解释。我举其中一个简单的例子，echo是指示linediscipline将字符回传的规则，我们可以执行命令关闭echo规则：sttyecho
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　　这时候你再输入一些东西，屏幕上什么也不会出现。linediscipline不会将字符回传给PTYmaster，因此terminal不会再显示我们输入的内容。然而其他一切都照常进行。例如你输入ls，在输入时看不到字符ls，然后你输入回车后，仍然会看到ls的输出。执行命令恢复echo规则：sttyecho
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　　可以通过sttyraw命令来禁用所有的linediscipline规则，这样的终端被称为rawterminal。像vi这样的编辑器会将终端设置为raw，因为它需要自己处理字符。后面介绍的远程终端也是需要一个rawterminal，同样会禁用所有的linediscipline规则。远程终端
　　我们经常通过ssh连接到一个远程主机，这时候远程主机上的sshserver就是一个伪终端PTY，它同样持有PTYmaster，但sshserver不再监听键盘事件，以及在屏幕上绘制输出结果，而是通过TCP连接，向sshclient发送或接收字符。
　　我们简单梳理一下远程终端是如何执行命令的。
　　用户在客户端的terminal中输入ssh命令，经过PTYmaster、TTY驱动，到达PTYslave。bash的标准输入已经设置为了PTYslave，它从标准输入读取字符序列并解释执行，发现需要启动ssh客户端，并请求和远程服务器建TCP连接。
　　服务器端接收客户端的TCP连接请求，向内核申请创建PTY，获得一对设备文件描述符。让sshserver持有PTYmaster，sshserverfork出的子进程bash持有PTYslave。bash的标准输入、标准输出和标准错误都设置为了PTYslave。
　　当用户在客户端的terminal中输入命令lsl和回车键，这些字符经过PTYmaster到达TTY驱动。我们需要禁用客户端linediscipline的所有规则，也就是说客户端的linediscipline不会对特殊字符回车键做处理，而是让命令lsl和回车键一起到达PTYslave。sshclient从PTYslave读取字符序列，通过网络，发送给sshserver。
　　sshserver将从TCP连接上接收到的字节写入PTYmaster。TTY驱动对字节进行缓冲，直到收到特殊字符回车键。
　　由于服务器端的linediscipline没有禁用echo规则，所以TTY驱动还会将收到的字符写回PTYmaster，sshserver从PTYmaster读取字符，将这些字符通过TCP连接发回客户端。注意，这是发回的字符不是lsl命令的执行结果，而是lsl本身的回显，让客户端能看到自己的输入。
　　在服务器端TTY驱动将字符序列传送给PTYslave，bash从PTYslave读取字符，解释并执行命令lsl。bashfork出ls子进程，该子进程的标准输入、标准输出和标准错误同样设置为了PTYslave。lsl命令的执行结果写入标准输出PTYslave，然后执行结果通过TTY驱动到达PTYmaster，再由sshserver通过TCP连接发送给sshclient。
　　注意在客户端，我们在屏幕上看到的所有字符都来自于远程服务器。包括我们输入的内容，也是远程服务器上的linediscipline应用echo规则的结果，将这些字符回显了回来。表面看似简单的在远程终端上执行了一条命令，实际上底下确是波涛汹涌。写在最后
　　简单回顾总结一下本文的主要内容：
　　电传打字机（TTY）是物理设备，最初是为电报设计的，后来被连接到计算机上，发送输入和获取输出。
　　电传打字机（TTY）现在被运行在内核中的模块所模拟，被称为终端模拟器（terminalemulator）。
　　伪终端（pseudoterminal，PTY）是运行在用户区的终端模拟程序。
　　Shell由terminalfork出来，是terminal的子进程。Shell不处理键盘事件，也不负责字符的显示，这些是由terminal处理。Shell负责解释执行用户输入的字符。
　　可以使用stty命令对TTY设备进行配置。
　　远程终端ssh也是一种伪终端PTY。
　　相信通过这篇文章，你已经能够理解终端、终端模拟器和伪终端的区别和联系。如果想进一步探究低层实现，可以阅读TTY驱动的源码driversttyttyio。c和linediscipline的源码driversttyntty。c。
　　原文
　　https：xie。infoq。cnarticlea6153354865c225bdce5bd55e