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/dev/tty[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（Universal Asynchronous Receiver and Transmitter，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line discipline。
　　line discipline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。line discipline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(terminal emulator)
　　今天电传打字机已经进了博物馆，但 Linux/Unix 仍然保留了当初 TTY 驱动和line discipline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(terminal emulator)。
　　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line discipline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Ubuntu 20桌面系统上，按Ctrl+Alt+F3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（Virtual consoles） 。每个虚拟终端都由一个特殊的设备文件/dev/tty[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：$tty  /dev/tty3
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　　可以看到，当前终端的设备文件是/dev/tty3，也就是通过Ctrl+Alt+F3得到的虚拟终端。
　　你可以通过Ctrl+Alt+F3到Ctrl+Alt+F6在几个虚拟终端之间切换。按Ctrl+Alt+F2回到桌面环境。X 系统也是运行在一个终端模拟器上，在Ubuntu 20上它对应的设备是/dev/tty2，这也是为什么使用Ctrl+Alt+F2可以切换到 X 系统的原因。
　　我们可以看看 X 系统打开的文件中是否包含了设备文件/dev/tty2。先查找 X 系统的 PID：#psaux|grepXorgmazhen14040.10.674188449996tty2Sl+08:070:13/usr/lib/xorg/Xorgvt2-displayfd3-auth/run/user/1000/gdm/Xauthority-backgroundnone-noreset-keeptty-verbose3
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　　再看看这个进程(1404)打开了哪些文件：#ll/proc/1404/fd总用量0dr-x------2mazhenmazhen07月1008:07./dr-xr-xr-x9mazhenmazhen07月1008:07../lrwx------1mazhenmazhen647月1008:070->/dev/tty2lrwx------1mazhenmazhen647月1008:071->'socket:[39965]'lrwx------1mazhenmazhen647月1010:0910->'socket:[34615]'...
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　　可以看到，X 系统确实打开了/dev/tty2。
　　再做一个有趣的实验，在 tty3 下以 root 用户身份执行 echo 命令：#echo＂hellofromtty3＂>/dev/tty4
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　　再按Ctrl+Alt+F4切换到 tty4，能看到从 tty3 发送来的信息。伪终端（pseudo terminal, PTY）
　　终端模拟器(terminal emulator)是运行在内核的模块，我们也可以让终端模拟程序运行在用户区。运行在用户区的终端模拟程序，就被称为伪终端（pseudo terminal, PTY）。
　　PTY 运行在用户区，更加安全和灵活，同时仍然保留了 TTY 驱动和line discipline的功能。常用的伪终端有 xterm，gnome-terminal，以及远程终端 ssh。我们以 Ubuntu 桌面版提供的 gnome-terminal 为例，介绍伪终端如何与 TTY 驱动交互。
　　PTY 是通过打开特殊的设备文件/dev/ptmx创建，由一对双向的字符设备构成，称为PTY master和PYT slave。
　　gnome-terminal 持有PTY master的文件描述符/dev/ptmx。gnome-terminal 负责监听键盘事件，通过PTY master接收或发送字符到PYT slave，还会在屏幕上绘制来自PTY master的字符输出。
　　gnome-terminal 会 fork 一个 shell 子进程，并让 shell 持有PYT slave的设备文件/dev/pts/[n]，shell 通过PYT slave接收字符，并输出处理结果。
　　PTY master和PYT slave之间是 TTY 驱动，会在 master 和 slave 之间复制数据，并进行会话管理和提供line discipline功能。
　　在 gnome-terminal 中执行 tty 命令，可以看到代表PYT slave的设备文件：$tty  /dev/pts/0
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　　执行ps -l命令，也可以确认 shell 关联的伪终端是pts/0：$ps-lFSUIDPIDPPIDCPRINIADDRSZWCHANTTYTIMECMD0S1000184218320800-3423do_waipts/000:00:00bash0R1000189718420800-3626-pts/000:00:00ps
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　　注意到 TTY 这一列指出了当前进程的终端是pts/0。
　　我们以实际的例子，看看在 terminal 执行一个命令的全过程。
　　我们在桌面启动终端程序gnome-terminal，它向操作系统请求一个PTY master，并把 GUI 绘制在显示器上
　　gnome-terminal启动子进程bash
　　bash的标准输入、标准输出和标准错误都设置为PYT slave
　　gnome-terminal监听键盘事件，并将输入的字符发送到PTY master
　　line discipline收到字符，进行缓冲。只有当你按下回车键时，它才会把缓冲的字符复制到PYT slave。
　　line discipline在接收到字符的同时，也会把字符写回给PTY master。gnome-terminal只会在屏幕上显示来自PTY master的东西。因此，line discipline需要回传字符，以便让你看到你刚刚输入的内容。
　　当你按下回车键时，TTY 驱动负责将缓冲的数据复制到PYT slave
　　bash 从标准输入读取输入的字符（例如ls -l）。注意，bash 在启动时已经将标准输入被设置为了PYT slave
　　bash 解释从输入读取的字符，发现需要运行ls
　　bash fork 出 ls 进程。bash fork 出的进程拥有和 bash 相同的标准输入、标准输出和标准错误，也就是PYT slave
　　ls 运行，结果打印到标准输出，也就是PYT slave
　　TTY 驱动将字符复制到PTY master
　　gnome-terminal循环从PTY master读取字节，绘制到用户界面上。Shell
　　我们经常不去区分 terminal 和 Shell，会说打开一个 terminal，或打开一个 Shell。从前面介绍的命令执行过程可以看出，Shell 不处理键盘事件，也不负责字符的显示，这是 terminal 要为它处理好的。
　　Shell 是用户空间的应用程序，通常由 terminal fork 出来，是 terminal 的子进程。Shell 用来提示用户输入，解释用户输入的字符，然后处理来自底层操作系统的输出。
　　通常我们使用较多的 shell 有 Bash、Zsh 和 sh。配置 TTY 设备
　　内核将使用 TTY 驱动来处理 terminal 和 Shell 之间的通信。line discipline是 TTY 驱动的一个逻辑组件。line discipline主要有以下功能：
　　当用户输入时，字符会被回传到PTY master
　　line discipline会在内存中缓冲这些字符。当用户按回车键时，它才将这些字符发送到PYT slave
　　line discipline可以拦截处理一些特殊的功能键，例如：
　　当用户按CTRL+c时，它向连接到PYT slave的进程发送kill -2（SIGINT）信号
　　当用户按CTRL+w时，它删除用户输入的最后一个字
　　当用户按CTRL+z时，它向连接到PYT slave的进程发送kill -STOP信号
　　当用户按退格键时，它从缓冲区中删除该字符，并向PTY master发送删除最后一个字符的指令
　　我们可以使用命令行工具stty查询和配置 TTY，包括line discipline规则。在 terminal 执行stty -a命令：$stty-aspeed38400baud;rows40;columns80;line=0;intr=^C;quit=^\;erase=^?;kill=^U;eof=^D;eol=<undef>;eol2=<undef>;swtch=<undef>;start=^Q;stop=^S;susp=^Z;rprnt=^R;werase=^W;lnext=^V;discard=^O;min=1;time=0;-parenb-parodd-cmsparcs8-hupcl-cstopbcread-clocal-crtscts-ignbrk-brkint-ignpar-parmrk-inpck-istrip-inlcr-igncricrnlixon-ixoff-iuclc-ixany-imaxbeliutf8opost-olcuc-ocrnlonlcr-onocr-onlret-ofill-ofdelnl0cr0tab0bs0vt0ff0isigicanoniextenechoechoeechok-echonl-noflsh-xcase-tostop-echoprtechoctlechoke-flusho-extproc
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　　-a标志告诉stty返回所有的设置，包括 TTY 的特征和line discipline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line discipline的类型。0 是N_TTY。
　　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：#stty-F/dev/pts/0rows20
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　　这个命令将终端pts/0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。
　　stty -a输出的第二行给出了line discipline能处理的所有特殊字符，包含了键的绑定。例如intr = ^C是指将CTRL+c映射到kill -2 (SIGINT)信号。你也可以更改这个绑定，例如执行stty intr o命令，将发送SIGINT信号的键从CTRL+c换成了字符o。
　　最后，stty -a列出了一系列line discipline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man stty中都有解释。我举其中一个简单的例子，echo是指示line discipline将字符回传的规则，我们可以执行命令关闭echo规则：$stty-echo
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　　这时候你再输入一些东西，屏幕上什么也不会出现。line discipline不会将字符回传给PTY master，因此 terminal 不会再显示我们输入的内容。然而其他一切都照常进行。例如你输入ls，在输入时看不到字符ls，然后你输入回车后，仍然会看到ls的输出。执行命令恢复echo规则：$sttyecho
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　　可以通过stty raw命令来禁用所有的line discipline规则，这样的终端被称为raw terminal。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raw terminal，同样会禁用所有的line discipline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ssh server就是一个伪终端 PTY，它同样持有PTY master，但ssh server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ssh client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PTY master、TTY 驱动，到达PTY slave。bash 的标准输入已经设置为了PTY slave，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ssh server持有PTY master，ssh serverfork 出的子进程 bash 持有PTY slave。bash 的标准输入、标准输出和标准错误都设置为了PTY slave。
　　当用户在客户端的 terminal 中输入命令ls -l和回车键，这些字符经过PTY master到达 TTY 驱动。我们需要禁用客户端line discipline的所有规则，也就是说客户端的line discipline不会对特殊字符回车键做处理，而是让命令ls -l和回车键一起到达PTY slave。ssh client从PTY slave读取字符序列，通过网络，发送给ssh server。
　　ssh server将从 TCP 连接上接收到的字节写入PTY master。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line discipline没有禁用echo规则，所以 TTY 驱动还会将收到的字符写回PTY master，ssh server从PTY master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ls -l命令的执行结果，而是ls -l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PTY slave，bash 从PTY slave读取字符，解释并执行命令ls -l。bash fork 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PTY slave。ls -l命令的执行结果写入标准输出PTY slave，然后执行结果通过 TTY 驱动到达PTY master，再由ssh server通过 TCP 连接发送给ssh client。
　　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line discipline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(terminal emulator)。
　　伪终端（pseudo terminal, 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 drivers/tty/tty_io.c 和line discipline的源码 drivers/tty/n_tty.c 。
　　原文
　　https://xie.infoq.cn/article/a6153354865c225bdce5bd55e