理解 Linux 终端、终端模拟器和伪终端

| 2021-07-14

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。

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。

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

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：

# ps aux | grep Xorg
mazhen      1404  0.1  0.6 741884 49996 tty2     Sl+  08:07   0:13 /usr/lib/xorg/Xorg vt2 -displayfd 3 -auth /run/user/1000/gdm/Xauthority -background none -noreset -keeptty -verbose 3

再看看这个进程(1404)打开了哪些文件：

# ll /proc/1404/fd
总用量 0
dr-x------ 2 mazhen mazhen  0 7月  10 08:07 ./
dr-xr-xr-x 9 mazhen mazhen  0 7月  10 08:07 ../
lrwx------ 1 mazhen mazhen 64 7月  10 08:07 0 -> /dev/tty2
lrwx------ 1 mazhen mazhen 64 7月  10 08:07 1 -> 'socket:[39965]'
lrwx------ 1 mazhen mazhen 64 7月  10 10:09 10 -> 'socket:[34615]'
...

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 "hello from tty3" > /dev/tty4

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。

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 server fork 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 terminal fork 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。