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Linux TTY/PTS概述_...vt102 vt200 xterm linux vshell
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原文地址：https://segmentfault.com/a/1190000009082089
1. TTY历史
1.1 支持多任务的计算机出现之前
在计算机出来以前，人们就已经在使用一种叫teletype的设备，用来相互之间传递信息，看起来像下面这样：
+----------+ Physical Line +----------+
| teletype |<--------------------->| teletype |
+----------+ +----------+
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两个teletype之间用线连接起来，线两端可能也有类似于调制解调器之类的设备（这里将它们忽略），在一端的teletype上敲键盘时，相应的数据会发送到另一端的teletype，具体功能是干什么的，我也不太了解。(我脑袋里面想到画面是在一端敲字，另一端打印出来)
1.2 支持多任务的计算机出现之后
等到计算机支持多任务后，人们想到把这些teletype连到计算机上，作为计算机的终端，从而可以操作计算机。
使用teletype的主要原因有两个（个人见解）：
现实中已经存在了大量不同厂商的teletype，可以充分利用现有资源
teletype的相关网络已经比较成熟，连起来方便
于是连接就发展成这样：
+----------+
+----------+ +-------+ Physical Line +-------+ +------+ | |
| Terminal |<->| Modem |<--------------------->| Modem |<->| UART |<->| Computer |
+----------+ +-------+ +-------+ +------+ | |
+----------+
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左边的Terminal就是各种各样的teletype
物理线路两边用上了Modem，就是我们常说的“猫”，那是因为后来网络已经慢慢的变发达了，大家可以共享连接了。（大概推测，可能不对）
UART可以理解为将teletype的信号转换成计算机能识别的信号的设备
1.3 内核TTY子系统
计算机为了支持这些teletype，于是设计了名字叫做TTY的子系统，内部结构如下：
+-----------------------------------------------+
| Kernel |
| +--------+ |
| +--------+ +------------+ | | | +----------------+
| | UART | | Line | | TTY |<---------->| User process A |
<------>| |<->| |<->| | | +----------------+
| | driver | | discipline | | driver |<---------->| User process B |
| +--------+ +------------+ | | | +----------------+
| +--------+ |
| |
+-----------------------------------------------+
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UART driver对接外面的UART设备
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Line discipline主要是对输入和输出做一些处理，可以理解它是TTY driver的一部分
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TTY driver用来处理各种终端设备
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用户空间的进程通过TTY driver来和终端打交道
为了简单起见，后面的介绍中不再单独列出UART driver和Line discipline，可以认为它们是TTY driver的一部分
1.4 TTY设备
对于每一个终端，TTY driver都会创建一个TTY设备与它对应，如果有多个终端连接过来，那么看起来就是这个样子的：
+----------------+ | TTY Driver | | | | +-------+ | +----------------+ +------------+ | | |<---------->| User process A | | Terminal A |<--------->| ttyS0 | | +----------------+ +------------+ | | |<---------->| User process B | | +-------+ | +----------------+ | | | +-------+ | +----------------+ +------------+ | | |<---------->| User process C | | Terminal B |<--------->| ttyS1 | | +----------------+ +------------+ | | |<---------->| User process D | | +-------+ | +----------------+ | | +----------------+
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当驱动收到一个终端的连接时，就会根据终端的型号和参数创建相应的tty设备（上图中设备名称叫ttyS0是因为大部分终端的连接都是串行连接），由于每个终端可能都不一样，有自己的特殊命令和使用习惯，于是每个tty设备的配置可能都不一样。比如按delete键的时候，有些可能是要删前面的字符，而有些可能是删后面的，如果没配置对，就会导致某些按键不是自己想要的行为，这也是我们在使用模拟终端时，如果默认的配置跟我们的习惯不符，需要做一些个性化配置的原因。
后来随着计算机的不断发展，teletype这些设备逐渐消失，我们不再需要专门的终端设备了，每个机器都有自己的键盘和显示器，每台机器都可以是其它机器的终端，远程的操作通过ssh来实现，但是内核TTY驱动这一架构没有发生变化，我们想要和系统中的进程进行I/O交互，还是需要通过TTY设备，于是出现了各种终端模拟软件，并且模拟的也是常见的几种终端，如VT100、VT220、XTerm等。
可以通过命令toe -a列出系统支持的所有终端类型
dan@ubuntu:~$ toe -a cygwin ansi emulation for Cygwin cons25-debian freebsd console with debian backspace (25-line ansi mode) cons25 freebsd console (25-line ansi mode) Eterm Eterm with xterm-style color support (X Window System) linux linux console pcansi ibm-pc terminal programs claiming to be ansi wsvt25 NetBSD wscons in 25 line DEC VT220 mode wsvt25m NetBSD wscons in 25 line DEC VT220 mode with Meta rxvt-unicode rxvt-unicode terminal (X Window System) rxvt rxvt terminal emulator (X Window System) rxvt-basic rxvt terminal base (X Window System) ansi ansi/pc-term compatible with color screen-256color-bce GNU Screen with 256 colors and BCE screen-w VT 100/ANSI X3.64 virtual terminal with 132 cols sun Sun Microsystems Inc. workstation console screen-bce VT 100/ANSI X3.64 virtual terminal with bce screen VT 100/ANSI X3.64 virtual terminal screen-256color GNU Screen with 256 colors screen-s VT 100/ANSI X3.64 virtual terminal with hardstatus line mach-gnu GNU Mach mach Mach Console mach-color Mach Console with ANSI color mach-gnu-color Mach Console with ANSI color mach-bold Mach Console with bold instead of underline hurd The GNU Hurd console server xterm X11 terminal emulator xterm-xfree86 xterm terminal emulator (XFree86 4.4 Window System) xterm-vt220 xterm emulating vt220 xterm-256color xterm with 256 colors xterm-r5 xterm R5 version xterm-color generic "ANSI" color xterm (X Window System) xterm-r6 xterm X11R6 version xterm-mono monochrome xterm dumb 80-column dumb tty vt102 dec vt102 vt220 dec vt220 vt100 dec vt100 (w/advanced video) vt52 dec vt52
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可以通过命令infocmp来比较两个终端的区别，比如infocmp vt100 vt220将会输出vt100和vt220的区别。
dan@ubuntu:~$ infocmp vt100 vt220 comparing vt100 to vt220. comparing booleans. mir: F:T. comparing numbers. comparing strings. blink: '\E[5m$<2>', '\E[5m'. bold: '\E[1m$<2>', '\E[1m'. clear: '\E[H\E[J$<50>', '\E[H\E[J'. cuf1: '\E[C$<2>', '\E[C'. cup: '\E[%i%p1%d;%p2%dH$<5>', '\E[%i%p1%d;%p2%dH'. cuu1: '\E[A$<2>', '\E[A'. dch: NULL, '\E[%p1%dP'. dch1: NULL, '\E[P'. dl: NULL, '\E[%p1%dM'. dl1: NULL, '\E[M'. ech: NULL, '\E[%p1%dX'. ........
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2. 程序如何和TTY打交道
在讨论TTY设备是如何被创建及配置之前，我们先来看看TTY是如何被进程使用的：
先用tty命令看看当前bash关联到了哪个tty
dan@ubuntu:~$ tty
/dev/pts/8
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看tty都被哪些进程打开了
dan@ubuntu:~$ lsof /dev/pts/8
COMMAND PID USER FD TYPE DEVICE SIZE/OFF NODE NAME
gnome-ter 2281 dan 16u CHR 136,8 0t0 11 /dev/pts/8
bash 2287 dan 0u CHR 136,8 0t0 11 /dev/pts/8
bash 2287 dan 1u CHR 136,8 0t0 11 /dev/pts/8
bash 2287 dan 2u CHR 136,8 0t0 11 /dev/pts/8
bash 2287 dan 255u CHR 136,8 0t0 11 /dev/pts/8
lsof 2866 dan 0u CHR 136,8 0t0 11 /dev/pts/8
lsof 2866 dan 1u CHR 136,8 0t0 11 /dev/pts/8
lsof 2866 dan 2u CHR 136,8 0t0 11 /dev/pts/8
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往tty里面直接写数据跟写标准输出是一样的效果
dev@dev:~$ echo aaa > /dev/pts/8
aaa
pts也是tty设备，它们的关系后面会介绍到
通过上面的lsof可以看出，当前运行的bash和lsof进程的stdin(0u)、stdout(1u)、stderr(2u)都绑定到了这个TTY上。
下面是tty和进程以及I/O设备交互的结构图：
Input +--------------------------+ R/W +------+
----------->| |<---------->| bash |
| pts/1 | +------+
<-----------| |<---------->| lsof |
Output | Foreground process group | R/W +------+
+--------------------------+
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可以把tty理解成一个管道（pipe），在一端写的内容可以从另一端读取出来，反之亦然。
这里input和output可以简单的理解为键盘和显示器，后面会介绍在各种情况下input/ouput都连接的什么东西。
tty里面有一个很重要的属性，叫Foreground process group，记录了当前前端的进程组是哪一个。process group的概念会在下一篇文章中介绍，这里可以简单的认为process group里面只有一个进程。
当pts/1收到input的输入后，会检查当前前端进程组是哪一个，然后将输入放到进程组的leader的输入缓存中，这样相应的leader进程就可以通过read函数得到用户的输入
当前端进程组里面的进程往tty设备上写数据时，tty就会将数据输出到output设备上
当在shell中执行不同的命令时，前端进程组在不断的变化，而这种变化会由shell负责更新到tty设备中
从上面可以看出，进程和tty打交道很简单，只要保证后台进程不要读写tty就可以了，即写后台程序时，要将stdin/stdout/stderr重定向到其它地方（当然deamon程序还需要做很多其它处理）。
先抛出两个问题(后面有答案)：
- 当非前端进程组里面的进程（后台进程）往tty设备上写数据时，会发生什么？会输出到outpu上吗？
- 当非前端进程组里面的进程（后台进程）从tty设备上读数据时，会发生什么？进程会阻塞吗？
3.TTY是如何被创建的
下面介绍几种常见的情况下tty设备是如何创建的，以及input和output设备都是啥。
键盘显示器直连（终端）
先看图再说话：
+-----------------------------------------+
| Kernel |
| +--------+ | +----------------+
+----------+ | +-------------------+ | tty1 |<---------->| User processes |
| Keyboard |--------->| | +--------+ | +----------------+
+----------+ | | Terminal Emulator |<->| tty2 |<---------->| User processes |
| Monitor |<---------| | +--------+ | +----------------+
+----------+ | +-------------------+ | tty3 |<---------->| User processes |
| +--------+ | +----------------+
| |
+-----------------------------------------+
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键盘、显示器都和内核中的终端模拟器相连，由模拟器决定创建多少tty，比如你在键盘上输入ctrl+alt+F1时，模拟器首先捕获到该输入，然后激活tty1，这样键盘的输入会转发到tty1，而tty1的输出会转发到显示器，同理用输入ctrl+alt+F2，就会切换到tty2。
当模拟器激活tty时如果发现没有进程与之关联，意味着这是第一次打开该tty，于是会启动配置好的进程并和该tty绑定，一般该进程就是负责login的进程。
当切换到tty2后，tty1里面的输出会输出到哪里呢？tty1的输出还是会输出给模拟器，模拟器里会有每个tty的缓存，不过由于模拟器的缓存空间有限，所以下次切回tty1的时候，只能看到最新的输出，以前的输出已经不在了。
不确定这里的终端模拟器对应内核中具体的哪个模块，但肯定有这么个东西存在
4. SSH远程访问
+----------+ +------------+ | Keyboard |------>| | +----------+ | Terminal | | Monitor |<------| | +----------+ +------------+ | | ssh protocol | ↓ +------------+ | | | ssh server |--------------------------+ | | fork | +------------+ | | ↑ | | | | write | | read | | | | +-----|---|-------------------+ | | | | | ↓ | ↓ | +-------+ | +-------+ | +--------+ | pts/0 |<---------->| shell | | | | +-------+ | +-------+ | | ptmx |<->| pts/1 |<---------->| shell | | | | +-------+ | +-------+ | +--------+ | pts/2 |<---------->| shell | | +-------+ | +-------+ | Kernel | +-----------------------------+
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这里的Terminal可能是任何地方的程序，比如windows上的putty，所以不讨论客户端的Terminal程序是怎么和键盘、显示器交互的。由于Terminal要和ssh服务器打交道，所以肯定要实现ssh的客户端功能。
这里将建立连接和收发数据分两条线路解释，为了描述简洁，这里以sshd代替ssh服务器程序：
4.1建立连接
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Terminal请求和sshd建立连接
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如果验证通过，sshd将创建一个新的session
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调用API（posix_openpt()）请求ptmx创建一个pts，创建成功后，sshd将得到和ptmx关联的fd，并将该fd和session关联起来。
#pty（pseudo terminal device）由两部分构成，ptmx是master端，pts是slave端，
#进程可以通过调用API请求ptmx创建一个pts，然后将会得到连接到ptmx的读写fd和一个新创建的pts，
#ptmx在内部会维护该fd和pts的对应关系，随后往这个fd的读写会被ptmx转发到对应的pts。
#这里可以看到sshd已经打开了/dev/ptmx
dev@debian:~$ sudo lsof /dev/ptmx
COMMAND PID USER FD TYPE DEVICE SIZE/OFF NODE NAME
sshd 1191 dev 8u CHR 5,2 0t0 6531 /dev/ptmx
sshd 1191 dev 10u CHR 5,2 0t0 6531 /dev/ptmx
sshd 1191 dev 11u CHR 5,2 0t0 6531 /dev/ptmx
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- 同时sshd创建shell进程，将新创建的pts和shell绑定
4.2 收发消息
-
Terminal收到键盘的输入，Terminal通过ssh协议将数据发往sshd
-
sshd收到客户端的数据后，根据它自己管理的session，找到该客户端对应的关联到ptmx上的fd
-
往找到的fd上写入客户端发过来的数据
-
ptmx收到数据后，根据fd找到对应的pts（该对应关系由ptmx自动维护），将数据包转发给对应的pts
-
pts收到数据包后，检查绑定到自己上面的当前前端进程组，将数据包发给该进程组的leader
-
由于pts上只有shell，所以shell的read函数就收到了该数据包
-
shell对收到的数据包进行处理，然后输出处理结果（也可能没有输出）
-
shell通过write函数将结果写入pts
-
pts将结果转发给ptmx
-
ptmx根据pts找到对应的fd，往该fd写入结果
-
sshd收到该fd的结果后，找到对应的session，然后将结果发给对应的客户端
5. 键盘显示器直连（图形界面）
+----------+ +------------+ | Keyboard |------>| | +----------+ | Terminal |--------------------------+ | Monitor |<------| | fork | +----------+ +------------+ | | ↑ | | | | write | | read | | | | +-----|---|-------------------+ | | | | | ↓ | ↓ | +-------+ | +-------+ | +--------+ | pts/0 |<---------->| shell | | | | +-------+ | +-------+ | | ptmx |<->| pts/1 |<---------->| shell | | | | +-------+ | +-------+ | +--------+ | pts/2 |<---------->| shell | | +-------+ | +-------+ | Kernel | +-----------------------------+
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6.TTY和PTS的区别
从上面的流程中应该可以看出来了，对用户空间的程序来说，他们没有区别，都是一样的；从内核里面来看，pts的另一端连接的是ptmx，而tty的另一端连接的是内核的终端模拟器，ptmx和终端模拟器都只是负责维护会话和转发数据包；再看看ptmx和内核终端模拟器的另一端，ptmx的另一端连接的是用户空间的应用程序，如sshd、tmux等，而内核终端模拟器的另一端连接的是具体的硬件，如键盘和显示器。
7.常见的TTY配置
7.1 rows 51; columns 204;
这个配置一般由终端控制，当终端的窗口大小发生变化时，需要通过一定的手段修改该配置，比如ssh协议里面就有修改窗口大小的参数，sshd收到客户端的请求后，会通过API修改tty的这个参数，然后由tty通过信号SIGWINCH通知前端程序（比如shell或者vim），前端程序收到信号后，再去读tty的这个参数，然后就知道如何调整自己的输出排版了。
7.2 intr = ^C
tty除了在终端和前端进程之间转发数据之外，还支持很多控制命令，比如终端输入了CTRL+C，那么tty不会将该输入串转发给前端进程，而是将它转换成信号SIGINT发送给前端进程。这个就是用来配置控制命令对应的输入组合的，比如我们可以配置“intr = ^E”表示用CTRL+E代替CTRL+C。
