终端

Posted 2022-12-10 比不了就不比

一、终端的概念

在UNIX系统中，用户通过终端登录系统后得到一个Shell进程，这个终端成为Shell进程的控制终端（Controlling Terminal），控制终端是保存在PCB中的信息，而我们知道fork会复制PCB中的信息，因此由Shell进程启动的其它进程的控制终端也是这个终端。默认情况下（没有重定向），每个进程的标准输入、标准输出和标准错误输出都指向控制终端，进程从标准输入读也就是读用户的键盘输入，进程往标准输出或标准错误输出写也就是输出到显示器上。在控制终端输入一些特殊的控制键可以给前台进程发信号，例如Ctrl-C表示SIGINT，Ctrl-\\表示SIGQUIT。

每个进程都可以通过一个特殊的设备文件/dev/tty访问它的控制终端。事实上每个终端设备都对应一个不同的设备文件，/dev/tty提供了一个通用的接口，一个进程要访问它的控制终端既可以通过/dev/tty也可以通过该终端设备所对应的设备文件来访问。ttyname函数可以由文件描述符查出对应的文件名，该文件描述符必须指向一个终端设备而不能是任意文件。在linux上的命令tty 也可以查看到当前的终端。

比如我们在图形界面下打开一个终端可能是/dev/pts/0, 第二个可能是/dev/pts/1 ...(网络终端)

而切换到字符界面下可能是/dev/tty1 ...(虚拟终端)

1.1 什么是Linux终端


Linux终端也称为虚拟控制台，是Linux从UNIX继承来的标准特性。显示器和键盘合称为终端，因为它们可以对系统进行控制，所以又称为控制台，一台计算机的输入/输出设备就是一个物理的控制台。如果在一台计算机上用软件的方法实现了多个互不干扰、独立工作的控制台界面，就是实现了多个虚拟控制台。Linux终端采用字符命令行方式工作，用户通过键盘输入命令，通过Linux终端对系统进行控制。通常情况下，Linux默认启动6个虚拟终端。如果启动方式选择直接启动X Window，那么X Window在第7个虚拟终端上。


虚拟控制台的选择可以通过按下Alt键和功能键Fn(n=1~6)来实现。例如，用户登录后，按Alt+F2组合键，用户又可以看到“login:”提示符，此时看到的是第二个虚拟控制台。如果此时再按Alt+F1组合键，就可以回到第一个虚拟控制台。一个新安装的Linux系统允许用户使用Alt+F1到Alt+F6组合键来访问6个虚拟控制台。


虚拟控制台使得Linux成为一个真正的多用户操作系统。在不同的控制台上，可以同时接受多个用户登录，也允许一个用户进行多次登录。用户可以在某一个虚拟控制台上的工作尚未结束时，切换到另一虚拟控制台开始另一项工作。例如，开发软件时，可以在一个控制台上进行编辑，在另一个控制台上进行编译，在第三个控制台上查阅信息。


在X Window图形操作界面中按Alt+Ctrl+Fn组合键(n=1~6)就可以进入控制台字符操作界面。这就意味着用户可以同时拥有X Window以及6个控制台操作界面，在控制台操作界面中按Alt+Ctrl+F7组合键即可回到刚才的X Window图形操作界面。也就是说，用Alt+Ctrl+Fn组合键即可实现字符界面与X Window界面的快速切换。

二、终端

要理解伪终端(Pseudo Terminal)，先来看看什么是“终端”(Terminal)。

终端是一种字符型设备，它有多种类型，通常使用tty来简称各种类型的终端设备。

1、串行端口终端（/dev/ttySx）
串行端口终端（Serial Port Terminal）是使用计算机串行端口连接的终端设备。计算机把每个串行端口都看作是一个字符设备。
这些串行端口所对应的设备名称是/dev/ttyS0、/dev/ttyS1等，分别对应于DOS系统下的COM1、COM2等。

1. [root@Kendo ~]# ls -l /dev/ttyS*
   
2. crw-rw---- 1 root uucp 4, 64 Jan  8 13:39 /dev/ttyS0
   
3. crw-rw---- 1 root uucp 4, 65 Jan  8 13:39 /dev/ttyS1
   
4. crw-rw---- 1 root uucp 4, 66 Jan  8 13:39 /dev/ttyS2
   
5. crw-rw---- 1 root uucp 4, 67 Jan  8 13:39 /dev/ttyS3

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2、控制台终端（/dev/ttyn, /dev/console） 
在Linux系统中，计算机显示器通常被称为控制台终端（Console）。它仿真了类型为Linux的一种终端（TERM=Linux），
与之相关联的设备文件为：tty0、tty1、tty2……。当用户从控制台上登录时，使用的是tty1。使用Alt+[F1—F6]组合键时，我们就可以切换
到tty2、tty3……上面去。tty1 –tty6等称为虚拟终端，而tty0则是当前所使用虚拟终端的一个别名，系统所产生的信息会发送到该终端上。
因此不管当前正在使用哪个虚拟终端，系统信息都会发送到控制台终端上。用户可以登录到不同的虚拟终端上去，因而可以让系统同时有几
个不同的会话期存在。只有系统或超级用户root可以向/dev/tty0进行写操作。

作为一个测试例子，在控制台终端下，运行命令：

1. #echo "write to ttyS0" > /dev/ttyS0

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在串行端口终端中可以看到输出：

1. # write to ttyS0

复制代码

3、控制终端（/dev/tty） 
控制终端并不面对设备，而是面对进程，关于这个概念，《Unix环境高级编程》第9章有详细论述。

二、从终端登录简述

Linux系统引导的时候，会运行init进程，它会执行/etc/inittab（这跟具体的init类型有关，我使用了busybox的init，但其本质是一样的）：

1. [root@SkyNet ~]# cat /etc/inittab
   
2. ::sysinit:/etc/init.d/rcS
   
3. ::respawn:/sbin/getty 9600 ttyS0

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它会调用getty在指定波特率上打开ttyS0，即，串行端口终端。打开成功后，stdout，stdin,stderr都被设置到该备上，然后getty输出："login:"之类的提示符，等待用户输入。

当用户键入用户名后，getty就执行login程序，类似于：execle("login")。login可以调用getpass()以显示Password：并读入用户口令。并且调用getpwnam进行口令验证。如果成功，调用类似execle("shell")。这样，登录用户就拥有了一个shell了。

三、伪终端
上述登录过程，对于网络用户来说，却不能完全实用。很显然，网络用户并不需要一个串口，也不需要一个显示器，他需要的是在他的本地显示设备上，
运行Linux的shell。以telnetd为例，它至少应该是这样子的：
 
图一：telnet登录假想图

这里，这个“某个终设备”，自然不可能是一个实际的物理终端设备，因为压根没有这样的设备。这样，伪终端的概念就被引入进来了。伪终端设备是一种特殊的终端驱动设备, 它并不驱动某个物理设备，而是用来将终端的输出定向到应用程序中进行处理。伪终端设备之所以存在是为了提供在程序控制下的一种模拟串行终端行为的方法。

伪终端与前面说的终端在表现形式上，最大的不同，就是它总是成对出现，而不是单一的一个。它分为“伪终端主设备(/dev/ptyMN)”和“伪终端从设备”。(/dev/ttyMN)。其中，M与N的命名方式如下：

1. M: p q r s t u v w x y z a b c d e 共16 个
   
2. N: 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 a b c d e f 共16 个

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这样，默认支持最大是256个。

任何写入到伪终端主设备的输入，都会作为伪终端从设备的输入，反之亦然。类似于管道，如下图：
 
一个典型的伪终端进程结构如下图：
 
这张图的关键在于：如果把伪终端从设备想像为传统的终端设备，把主设备看成进程读写数据的一个“接口”，那么它的工作原理，就跟传统终端一样了。

上述只是一个本地进程，把网络引入进来，对应到telnetd上面来，应该是下面这个样子：
 

同样的登录方式，就变成了这样：
1、如果某人在网上使用telnet程序连接到本地服务器，则telnetd程序就可能会开始连接到设备ptyp2（m2）上（一个伪终端主设备上）。
2、telnetd产生一个子进程，进行getty程序，其打开一个对应的从设备对应的ttyp2（s2），并设置stdin\\stdout\\stderr；
3、telnetd通过内核tcp/ip协议栈从远端获取了一个字符时，该字符就会通过m2、s2传递给getty程序，而getty程序就会通过s2、m2和telnetd程序往网络上返回”login:”字符串信息；
4、这样，登录程序与telnetd程序就通过“伪终端”进行通信；

四、伪终端的数量
对于Linux下的应用而言，知道伪终端的数量是一个关键的东东，或者它直接决定了最大支持用户数，例如PPTP VPN的应用。（没有多余的可以供打开的
伪终端设备了）。
对于2.6.X而言，在

1. Device Drivers  --->
   
2. Character devices  --->
   
3. [*] Legacy (BSD) PTY support
   
4.         (256) Maximum number of legacy PTY in use

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可以设定。应该将它调整到足够地大，以供支持应用。同时，/dev目录下，应该有相应的设备文件：

1. #ls -l /dev/ptyp*
   
2. crw-r--r--    1 root     root       2,   0 Dec 18 05:36 /dev/ptyp0
   
3. crw-r--r--    1 root     root       2,   1 Dec 18 05:36 /dev/ptyp1
   
4. crw-r--r--    1 root     root       2,   2 Dec 18 05:36 /dev/ptyp2
   
5. crw-r--r--    1 root     root       2,   3 Dec 18 05:36 /dev/ptyp3

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1. #ls -l /dev/ttyp*
   
2. crw-------    1 root     root       3,   0 Dec 18 05:36 /dev/ttyp0
   
3. crw-------    1 root     root       3,   1 Dec 18 05:36 /dev/ttyp1
   
4. crw-r--r--    1 root     root       3,   2 Dec 18 05:36 /dev/ttyp2
   
5. crw-------    1 root     root       3,   3 Dec 18 05:36 /dev/ttyp3

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这样命令方式，并且要指定数量的方式实在是让人郁闷。因为它有一个数量上限的问题，最大256。

为了解决这个问题，Linux引入了一种新的命名方式：UNIX98_PTYS。关于这个东东，内核是这样解释的：

1.         Linux has traditionally used the BSD-like names /dev/ptyxx for
   
2. masters and /dev/ttyxx for slaves of pseudo terminals. This scheme
   
3. has a number of problems. The GNU C library glibc 2.1 and later,
   
4. however, supports the Unix98 naming standard: in order to acquire a
   
5. pseudo terminal, a process opens /dev/ptmx; the number of the pseudo
   
6. terminal is then made available to the process and the pseudo
   
7. terminal slave can be accessed as /dev/pts/<number>. What was
   
8. traditionally /dev/ttyp2 will then be /dev/pts/2, for example.
   
9. 
   
10.         All modern Linux systems use the Unix98 ptys.  Say Y unless
    
11. you're on an embedded system and want to conserve memory.

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这样，可以通过访问/dev/ptmx设备文件的形式，来访问伪终端设备了，例如我的PPTP服务器，当有五个用户拨入后：

1. # ls -l /dev/pts/             
   
2. crw-------    1 root     root     136,   0 Jan  8 12:18 0
   
3. crw-------    1 root     root     136,   1 Jan  8 08:08 1
   
4. crw-------    1 root     root     136,   2 Jan  8 14:10 2
   
5. crw-------    1 root     root     136,   3 Jan  8 14:27 3
   
6. crw-------    1 root     root     136,   4 Jan  8 08:29 4

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