TTY 解密 (2008)

# TTY 探秘 来源：https://www.linusakesson.net/programming/tty/index.php 20世纪40年代的真实电传打字机。 TTY 子系统是 Linux 乃至整个 UNIX 设计的核心。不幸的是，它的重要性常常被忽视，而且很难找到关于它的优秀入门文章。我认为，对于开发者和高级用户来说，理解 Linux 中的 TTY 是必不可少的。不过要小心：你即将看到的东西并不特别优雅。事实上，TTY 子系统——虽然从用户的角度来看功能相当完备——却是一个充斥着各种特殊情况的复杂小混乱。要理解它为何变成这样，我们必须回到过去。 ## 历史 1869年，*股票行情收录器*被发明出来。它是一种由打字机、一对长线和纸条打印机组成的机电设备，其目的是实时远距离分发股票价格。这个概念逐渐演变成了更快的、基于 ASCII 的*电传打字机*。电传打字机曾经连接成一个遍布全球的大型网络，称为*Telex*，用于传输商业电报，但当时这些电传打字机尚未与任何计算机连接。 然而，与此同时，计算机——虽然仍然相当庞大和原始，但已具备多任务处理能力——变得足够强大，能够与用户实时交互。当命令行最终取代了旧的批处理模式时，电传打字机被用作输入和输出设备，因为它们在市场上很容易获得。当时存在各种各样的电传打字机型号，彼此略有不同，因此需要某种软件兼容层。在 UNIX 世界中，方法是让操作系统内核处理所有底层细节，例如字长、波特率、流量控制、奇偶校验、用于基本行编辑的控制代码等等。而在 20 世纪 70 年代末期，由固态*视频终端*（如 VT-100）实现的炫酷光标移动、彩色输出和其他高级功能，则留给了应用程序。 如今，我们发现物理电传打字机和视频终端几乎已经灭绝。除非你去参观博物馆或拜访硬件爱好者，否则你很可能看到的都是模拟的虚拟终端——对真实设备的软件仿真。但正如我们将看到的，那些旧铁怪兽的遗产仍然潜伏在表面之下。 ## 使用场景 图 用户在一个终端（物理电传打字机）上打字。这个终端通过一对电线连接到计算机上的*UART*（通用异步接收/发送器）。操作系统包含一个*UART 驱动程序*，它管理字节的物理传输，包括奇偶校验和流量控制。在一个简单的系统中，UART 驱动程序会直接将传入的字节传递给某个应用程序进程。但这种方法缺乏以下基本功能： **行编辑**。大多数用户在打字时会出错，所以退格键通常很有用。这当然可以由应用程序自己实现，但根据 UNIX 设计哲学，应用程序应尽可能简单。因此，为了方便，操作系统在*线路规程*内部提供了一个编辑缓冲区和一些基本编辑命令（退格、删除单词、清除行、重新打印），这些命令默认是启用的。高级应用程序可以通过将线路规程设置为*原始*模式（而不是默认的*熟*（或*规范*）模式）来禁用这些功能。大多数交互式应用程序（编辑器、邮件客户端、shell、所有依赖 `curses` 或 `readline` 的程序）都运行在原始模式下，并自己处理所有行编辑命令。线路规程还包含字符回显和回车与换行之间自动转换的选项。你可以把它想象成一个内核级别的原始 `sed(1)`。 顺便提一下，内核提供了几种不同的线路规程。每次只有一个线路规程附加到给定的串行设备上。提供行编辑功能的默认规程称为 `N_TTY`（如果你有兴趣，可以在 `drivers/char/n_tty.c` 中找到）。其他规程用于其他目的，例如管理分组交换数据（ppp、IrDA、串行鼠标），但这超出了本文的范围。 **会话管理**。用户可能希望同时运行多个程序，并一次与其中一个交互。如果一个程序进入无限循环，用户可能想要杀死或挂起它。在后台启动的程序应该能够执行，直到它们试图写入终端，此时它们应该被挂起。同样，用户输入只应定向到前台程序。操作系统在*TTY 驱动程序*（`drivers/char/tty_io.c`）中实现了这些功能。 操作系统进程是“活的”（具有*执行上下文*），这意味着它可以执行操作。TTY 驱动程序不是活的；用面向对象的术语来说，TTY 驱动程序是一个被动对象。它有一些数据字段和一些方法，但它实际能做事的唯一方式是在进程或内核中断处理程序的上下文中调用它的某个方法。线路规程同样是一个被动实体。UART 驱动程序、线路规程实例和 TTY 驱动程序的特定三元组可以统称为*TTY 设备*，或者有时简称为 TTY。 用户进程可以通过操作 `/dev` 下相应的设备文件来影响任何 TTY 设备的行为。这需要对设备文件具有写权限，因此当用户登录到某个 TTY 时，该用户必须成为该设备文件的所有者。传统上，这是由以 root 权限运行的 `login(1)` 程序完成的。 上一张图中的物理线路当然可以是一条长途电话线： 图 这并没有改变太多，只是系统现在还必须处理调制解调器挂断的情况。 让我们继续来看一个典型的桌面系统。这是 Linux 控制台的工作方式： 图 TTY 驱动程序和线路规程的行为与前面的例子完全相同，但不再涉及 UART 或物理终端。相反，一个视频终端（一个复杂的状态机，包括字符和图形字符属性的*帧缓冲区*）在软件中仿真，并渲染到 VGA 显示器上。控制台子系统有些僵化。如果我们将终端仿真移到用户空间，事情会变得灵活（和抽象）得多。这是 `xterm(1)` 及其克隆的工作方式： 图 为了将终端仿真移到用户空间，同时保持 TTY 子系统（会话管理和线路规程）完整，*伪终端*或 *pty* 被发明出来。正如你可能猜到的，当你在伪终端内部运行伪终端时（例如使用 `screen(1)` 或 `ssh(1)`），事情会变得更加复杂。 现在让我们退一步，看看这一切如何融入进程模型。 ## 进程 Linux 进程可以处于以下状态之一： 进程状态 R 运行中或可运行（在运行队列中） D 不可中断睡眠（等待某个事件） S 可中断睡眠（等待某个事件或信号） T 停止，要么因为作业控制信号，要么因为被调试器跟踪。 Z 僵尸进程，已终止但尚未被父进程收尸。 通过运行 `ps l`，你可以看到哪些进程在运行，哪些在睡眠。如果进程在睡眠，`WCHAN` 列（“等待通道”，等待队列的名称）会告诉你进程在等待哪个内核事件。 ``` $ ps l F UID PID PPID PRI NI VSZ RSS WCHAN STAT TTY TIME COMMAND 0 500 5942 5928 15 0 12916 1460 wait Ss pts/14 0:00 -/bin/bash 0 500 12235 5942 15 0 21004 3572 wait S+ pts/14 0:01 vim index.php 0 500 12580 12235 15 0 8080 1440 wait S+ pts/14 0:00 /bin/bash -c (ps l) >/tmp/v727757/1 2>&1 0 500 12581 12580 15 0 4412 824 - R+ pts/14 0:00 ps l ``` “wait” 等待队列对应于 `wait(2)` 系统调用，因此只要其子进程状态发生变化，这些进程就会被移动到运行状态。 有两种睡眠状态：可中断睡眠和不可中断睡眠。可中断睡眠（最常见的情况）意味着当进程在等待队列中时，它实际上也可能在接收到信号时被移动到运行状态。如果你查看内核源码，你会发现任何等待事件的内核代码都必须在 `schedule()` 返回后检查是否有信号挂起，并在这种情况下中止系统调用。 在上面的 `ps` 输出中，`STAT` 列显示每个进程的当前状态。同一个列还可能包含一个或多个属性或标志： s 该进程是会话领导者。 + 该进程是前台进程组的一部分。 这些属性用于作业控制。 ## 作业和会话 当你按下 `^Z` 挂起一个程序，或者使用 `&` 在后台启动一个程序时，发生的就是作业控制。作业与进程组是同一回事。像 `jobs`、`fg` 和 `bg` 这样的内部 shell 命令可以用来操作*会话*内的现有作业。每个会话由一个*会话领导者*（shell）管理，它使用复杂的信号和系统调用协议与内核紧密协作。 下面的例子说明了进程、作业和会话之间的关系： ### 以下 shell 交互... 截图 ### ...对应于这些进程... 表 ### ...以及这些内核结构。 - TTY 驱动程序 (`/dev/pts/0`) ``` 大小: 45x13 控制进程组: (101) 前台进程组: (103) UART 配置 (忽略，因为这是 xterm): 波特率、奇偶校验、字长等。 线路规程配置: 熟/原始模式、换行修正、中断字符含义等。 线路规程状态: 编辑缓冲区 (当前为空)、缓冲区内的光标位置等。 ``` - pipe0 ``` 可读端 (连接到 PID 104 的文件描述符 0) 可写端 (连接到 PID 103 的文件描述符 1) 缓冲区 ``` 基本思想是每个管道是一个作业，因为管道中的每个进程都应该同时被操作（停止、恢复、杀死）。这就是为什么 `kill(2)` 允许你向整个进程组发送信号。默认情况下，`fork(2)` 将新创建的子进程放在与父进程相同的进程组中，这样例如键盘上的 `^C` 会影响父进程和子进程。但是，shell 作为其会话领导者的职责的一部分，每次启动管道时都会创建一个新的进程组。 TTY 驱动程序会跟踪前台进程组的 id，但只是被动地。会话领导者必须在必要时显式更新此信息。类似地，TTY 驱动程序会跟踪连接终端的大小，但此信息必须由终端仿真器甚至用户显式更新。 如上图所示，多个进程将 `/dev/pts/0` 附加到它们的标准输入。但只有前台作业（`ls | sort` 管道）会从 TTY 接收输入。同样，默认配置下，只有前台作业允许向 TTY 设备写入。如果 `cat` 进程试图写入 TTY，内核会使用信号将其挂起。 ## 信号疯狂 现在让我们更仔细地研究内核中的 TTY 驱动程序、线路规程和 UART 驱动程序如何与用户态进程通信。UNIX 文件（包括 TTY 设备文件）当然可以被读写，并且可以通过神奇的 `ioctl(2)` 调用（UNIX 的瑞士军刀）进一步操作，为此已经定义了大量与 TTY 相关的操作。尽管如此，`ioctl` 请求必须由进程发起，因此当内核需要*异步*与应用程序通信时，它们无法使用。 在*银河系漫游指南*中，道格拉斯·亚当斯提到一个极其沉闷的星球，上面住着一群沮丧的人类和一种长着尖牙的动物，这种动物通过狠狠地咬人类的大腿来与他们交流。这与 UNIX 惊人地相似，在 UNIX 中，内核通过向进程发送麻痹或致命的信号来与它们通信。进程可能会拦截某些信号，并尝试适应情况，但大多数不会。因此，信号是一种粗糙的机制，允许内核异步地与进程通信。UNIX 中的信号并不干净或通用；相反，每个信号都是独特的，必须单独研究。 你可以使用命令 `kill -l` 来查看你的系统实现了哪些信号。可能如下所示： ``` $ kill -l 1) SIGHUP 2) SIGINT 3) SIGQUIT 4) SIGILL 5) SIGTRAP 6) SIGABRT 7) SIGBUS 8) SIGFPE 9) SIGKILL 10) SIGUSR1 11) SIGSEGV 12) SIGUSR2 13) SIGPIPE 14) SIGALRM 15) SIGTERM 16) SIGSTKFLT 17) SIGCHLD 18) SIGCONT 19) SIGSTOP 20) SIGTSTP 21) SIGTTIN 22) SIGTTOU 23) SIGURG 24) SIGXCPU 25) SIGXFSZ 26) SIGVTALRM 27) SIGPROF 28) SIGWINCH 29) SIGIO 30) SIGPWR 31) SIGSYS 34) SIGRTMIN 35) SIGRTMIN+1 36) SIGRTMIN+2 37) SIGRTMIN+3 38) SIGRTMIN+4 39) SIGRTMIN+5 40) SIGRTMIN+6 41) SIGRTMIN+7 42) SIGRTMIN+8 43) SIGRTMIN+9 44) SIGRTMIN+10 45) SIGRTMIN+11 46) SIGRTMIN+12 47) SIGRTMIN+13 48) SIGRTMIN+14 49) SIGRTMIN+15 50) SIGRTMAX-14 51) SIGRTMAX-13 52) SIGRTMAX-12 53) SIGRTMAX-11 54) SIGRTMAX-10 55) SIGRTMAX-9 56) SIGRTMAX-8 57) SIGRTMAX-7 58) SIGRTMAX-6 59) SIGRTMAX-5 60) SIGRTMAX-4 61) SIGRTMAX-3 62) SIGRTMAX-2 63) SIGRTMAX-1 64) SIGRTMAX ``` 如你所见，信号从 1 开始编号。然而，当它们在位掩码中使用时（例如在 `ps s` 的输出中），最低有效位对应信号 1。本文将重点讨论以下信号：`SIGHUP`、`SIGINT`、`SIGQUIT`、`SIGPIPE`、`SIGCHLD`、`SIGSTOP`、`SIGCONT`、`SIGTSTP`、`SIGTTIN`、`SIGTTOU` 和 `SIGWINCH`。 ### SIGHUP - 默认动作：**终止** - 可能动作：终止、忽略、函数调用 当检测到挂起条件时，UART 驱动程序会向整个会话发送 `SIGHUP`。通常，这会杀死所有进程。某些程序，如 `nohup(1)` 和 `screen(1)`，会与其会话（和 TTY）分离，以便其子进程不会注意到挂起。 ### SIGINT - 默认动作：**终止** - 可能动作：终止、忽略、函数调用 当输入流中出现*交互式注意*字符（通常是 `^C`，ASCII 码 3）时，TTY 驱动程序会向当前前台作业发送 `SIGINT`，除非此行为已被关闭。任何具有 TTY 设备访问权限的人都可以更改交互式注意字符并切换此功能；此外，会话管理器会跟踪每个作业的 TTY 配置，并在作业切换时更新 TTY。 ### SIGQUIT - 默认动作：**核心转储** - 可能动作：核心转储、忽略、函数调用 `SIGQUIT` 的工作方式与 `SIGINT` 类似，但退出字符通常是 `^\`，默认动作不同。 ### SIGPIPE - 默认动作：**终止** - 可能动作：终止、忽略、函数调用 内核会向任何试图向没有读者的管道写入的进程发送 `SIGPIPE`。这很有用，否则像 `yes | head` 这样的作业永远不会终止。 ### SIGCHLD - 默认动作：**忽略** - 可能动作：忽略、函数调用 当进程死亡或改变状态（停止/继续）时，内核会向其父进程发送 `SIGCHLD`。`SIGCHLD` 信号携带额外信息，即进程 id、用户 id、终止进程的退出状态（或终止信号）以及一些执行时间统计信息。会话领导者（shell）使用此信号跟踪其作业。 ### SIGSTOP - 默认动作：**挂起** - 可能动作：挂起 此信号将无条件地挂起接收进程。