详解控制台与终端

乏味的问题：Linux 的终端，控制台，TTY, PTY 到底是什么？它们与过程有什么关系？

历史回顾：控制台

  • 控制台是一个间接管制设施的面板（属于设施的一部分）
  • 计算机设备的控制台：按键 & 指示灯 （键盘 & 显示器）
  • 晚期的电子计算机必然有一个控制台

历史回顾：终端 （Terminal）

  • 终端是一台独立于计算机的机器，是可能用来和计算机进行交互的设施

TTY -- 即：TeleType Writer 电传打字机，一种终端设备

历史倒退过程。。。

  • 电传打字机曾经淘汰
  • 计算机上的输出设施和显示设施从主机独立进去
  • 控制台与终端的物理表现形式逐步趋近
  • 计算机开始反对多任务处理
  • 。。。

终端与过程

  • TTY 演变为 Linux 中的抽象概念，对于过程而言，TTY是一种输入输出设施

虚构终端与伪终端

各种终端类型

类型阐明
虚构终端(Virtual Terminal)将这一套键盘和显示器映射为 6 个终端设备/dev/tty1~tty6 tty0指代以后应用的终端 (CLI虚构出)
串口终端（Serial Port Terminal）将连贯到窗口的外设看看作终端设备/dev/ttyS1,...
终端模拟器（Terminal Emulator）终端模拟程序（狭义） / 内核模仿模块（侠义）Putty, MobaXTERM, 内核模块，伪终端
伪终端（Pseudo Terminal）运行在用户模式的终端模拟程序，分为主设施（pty master）和从设施（pty slave）/dev/ptmx（主）, /dev/pts/3（从）, ...

内核终端模拟器

伪终端模型

伪终端（gnome-terminal）

伪终端
tiansong@tiansong:~$ pstree -A -p -s $$systemd(1)---systemd(968)---gnome-terminal(1885)---bash(1973)---pstree(2052)
虚构终端
ubuntu 由 GUI 切换到 CLI ： CTRL + ALT +F3tiansong@tiansong:~$ pstree -A -p -s $$systemd(1)---login(2064)---bash(2118)---pstree(2125)ubuntu 由 CLI 切换到 GUI ： CTRL + ALT +F1

伪终端程序设计原理

站在 shell 角度的总结：1. shell 面对的只有 TTY 设施，而 TTY 是 Linux 中的抽象概念，因而须要一个具体的模块来反对这个形象的概念2. 对于虚构终端，反对这个概念的模块就是终端模拟器（内核模块，运行于内核模式），能够间接应用键盘、显卡驱动进行输入输出3. 对于伪终端，创立主、从设施，其中 shell 过程对接的是从设施，主设施对接用户过程 gnome-terminal (实质是 GUI 应用程序)

伪终端程序设计（master）

  • 创立 PTY 主从设施： master = posix_openpt(O_RDWR);

  • 获取主设施权限：

    • grantpt(master); // 获取设施应用权限
    • unlockpt(master); // 解锁设施，为读写做筹备

  • 读写主设施

    • c = read(master, &rx, 1);
    • len = write(master, txbuf, strlen(txbuf));

伪终端程序设计（slave）

  • 关上 PTY 从设施，slave = open(path_to_slave, O_RDWR);

  • 读写设施：

    • write(slave, "Delphi\r", 7);
    • read(slave, buf, sizeof(buf) - 1);

实战伪终端程序设计

master.c
#define _XOPEN_SOURCE  600#include <stdio.h>#include <stdlib.h>#include <fcntl.h>#include <string.h>#include <unistd.h>#include <fcntl.h>int main(){    char rx = 0;    char rxbuf[128] = {0};    char txbuf[256] = {0};    int master = 0;    int c = 0;    int i = 0;    master = posix_openpt(O_RDWR);                         // 连贯主设施，等同于 gnome-terminal    if (master > 0) {        grantpt(master);        unlockpt(master);        printf("Slave: %s\n", ptsname(master));        while ((c = read(master, &rx, 1)) == 1) {            if (rx == '\r') {                rxbuf[i] = 0;                sprintf(txbuf, "from slave: %s\r", rxbuf);  // 等同于屏幕输入                write(master, txbuf, strlen(txbuf));        // 等同于键盘输入            } else {                rxbuf[i++] = rx;            }        }    }    else {        printf("create pty error...\n");    }    return 0;}
tiansong@tiansong:~/Desktop/linux$ gcc master.c -o master.outtiansong@tiansong:~/Desktop/linux$ ./master.out   // 不终止Slave: /dev/pts/0
slave.c
#define _XOPEN_SOURCE  600#include <stdio.h>#include <stdlib.h>#include <fcntl.h>#include <string.h>#include <unistd.h>#include <fcntl.h>int main(int argc, char *argv[]){    int slave = open(argv[1], O_RDWR);  // 等同于 shell    if (slave > 0) {        char buf[256] = {0};        char *data = "D.T.Software\r";        int len = strlen(data);        write(slave, data, len);        sleep(1);        len = read(slave, buf, sizeof(buf) - 1);        buf[(len > 0) ? len : 0] = 0;        printf("Read: %s\n", buf);  // system(...)        close(slave);    }    else {    }    return 0;}
tiansong@tiansong:~/Desktop/linux$ gcc slave.c -o slave.outtiansong@tiansong:~/Desktop/linux$ ./slave.out /dev/pts/0  // 新终端执行Read: from slave: D.T.Software
终端必然与过程关联才有意义！那么，过程之间除了父子关系，是否还有其它关系？