Linux 終端(TTY)

• 2019 年 10 月 3 日
• 筆記

TTY 是 Teletype 或 Teletypewriter 的縮寫，原來是指電傳打字機，後來這種設備逐漸鍵盤和顯示器取代。不管是電傳打字機還是鍵盤顯示器，都是作為計算機的終端設備存在的，所以 TTY 也泛指計算機的終端(terminal)設備。為了支持這些 TTY 設備，Linux 實現了一個叫做 TTY 的子系統。所以 TTY 既指終端，也指 Linux 的 TTY 子系統，當然 TTY 還有更豐富(混亂)的含義，本文試圖把它們解釋清楚。本文中演示部分使用的環境為 ubuntu 18.04。

硬件終端 terminal(TTY)

早期的終端(terminal) 是一台獨立於計算機的機器(teletype 即, TTY)，大概像下面的樣子：

它終端通過線纜與計算機連接，並完成計算機的輸入輸出功能：

現在物理終端實際上已經滅絕了，我們看到的所有 TTY 都是模擬視頻終端，即軟件仿真出來的終端。可以通過 toe -a 命令查看系統支持的終端類型，不要奇怪，這是一個挺長的列表。

控制台 console

提到終端就不能不提控制台 console。控制台的概念與終端含義非常相近，其實現在我們經常用它們表示相同的東西，但是在計算機的早期時代，它們確實是不同的東西。
一些數控設備(比如數控機床)的控制箱，通常會被稱為控制台，顧名思義，控制台就是一個直接控制設備的面板，上面有很多控制按鈕。 在計算機里，把那套直接連接在電腦上的鍵盤和顯示器就叫做控制台。而終端是通過串口連接上的，不是計算機自身的設備，而控制台是計算機本身就有的設備，一個計算機只有一個控制台。計算機啟動的時候，所有的信息都會顯示到控制台上，而不會顯示到終端上。這同樣說明，控制台是計算機的基本設備，而終端是附加設備。計算機操作系統中，與終端不相關的信息，比如內核消息，後台服務消息，都可以顯示到控制台上，但不會顯示到終端上。比如在啟動和關閉 Linux 系統時，我們可以在控制台上看到很多的內核信息(下圖來自 vSphere Client 中的 “Virtual Machine Console”)：

現在終端和控制台都由硬件概念，逐漸演化成了軟件的概念。簡單的說，能直接顯示系統消息的那個終端稱為控制台，其他的則稱為終端(控制台也是一個終端)。或者我們在平時的使用中壓根就不區分 Linux 中的終端與控制台。

下面的例子是通過 /dev/console 文件向控制台發送消息，這個這個例子我們可以看到控制台與終端的一點點不同之處。
打開 vSphere Client 中的 “Virtual Machine Console”(即控制台)，默認顯示的是 tty1：

通過其他的終端向 /dev/console 中寫入字符串 “hello world”：
root@esearch:~# echo “hello world” > /dev/console

字符串顯示在了控制台中。然後通過 Ctrl + Alt + F2 把控制台中的終端切換到 tty2，再次向 /dev/console 寫入字符串：
root@esearch:~# echo “hello world” > /dev/console

這次字符串寫到了 tty2 中，這說明 Linux 總是把寫入 /dev/console 的內容會顯示在控制台中當前的虛擬終端(tty1-tty6)里。

TTY 設備

從歷史上看，終端剛開始就是終端機，配有打印機，鍵盤，帶有一個串口，通過串口傳送數據到主機端，然後主機處理完交給終端打印出來。電傳打字機(teletype)可以被看作是這類設備的統稱，因此終端也被簡稱為 TTY(teletype 的縮寫)。
如下圖所示(下圖來自互聯網)：

UART 驅動
如上圖所示，物理終端通過電纜連接到計算機上的 UART(通用異步接收器和發射器)。操作系統中有一個 UART 驅動程序用於管理位元組的物理傳輸。

行規範
上圖中內核中的 Line discipline(行規範)用來提供一個編輯緩衝區和一些基本的編輯命令(退格，清除單個單詞，清除行，重新打印)，主要用來支持用戶在輸入時的行為(比如輸錯了，需要退格)。

TTY 驅動
TTY 驅動用來進行會話管理，並且處理各種終端設備。

UART 驅動、行規範和 TTY 驅動都位於內核中，它們的一端是終端設備，另一端是用戶進程。因為在 Linux 下所有的設備都是文件，所以它們三個加在一起被稱為 “TTY 設備”，即我們常說的 TTY。

從軟件仿真終端到偽終端

後來的終端慢慢演變成了鍵盤 + 顯示器。如果我們要把內容輸出到顯示器，只要把這些內容寫入到顯示器對應的 TTY 設備就可以了，然後由 TTY 層負責匹配合適的驅動完成輸出，這也是 Linux 控制台的工作原理(下圖來自互聯網)：

上圖中，TTY 驅動和行規範的行為與前面的示例類似，但不再有 UART 或物理終端。相反，軟件仿真出視頻終端，並最終被渲染到 VGA 顯示器。注意，這裡出現了軟件仿真終端，它們是運行在內核態的。顯示器和 vSphere Client “Virtual Machine Console” 中的 tty1-tty6 都是軟件仿真終端：

/dev/tty1-/dev/tty6 是這些仿真終端在文件系統中的表示，程序通過對這些文件的讀寫實現對仿真終端的讀寫。

如果我們在用戶空間也進行終端仿真，情況會變得更加靈活，下圖是 xterm 及其克隆的工作方式(下圖來自互聯網)：

為了便於將終端仿真移入用戶空間，同時仍保持 TTY 子系統(TTY 子系統指 TTY 驅動和行規範)的完整，偽終端被發明了出來(pseudo terminal 或 pty)。偽終端在內核中分為兩部分，分別是 master side 和 在 TTY 驅動中實現的 slave side。注意上圖中的 xterm，這是一個運行在用戶態的終端仿真程序，比如 Ubuntu Desktop 中的 GNOME Terminal：

當創建一個偽終端時，會在 /dev/pts 目錄下創建一個設備文件：

如果是通過 PuTTY 等終端仿真程序通過 SSH 的方式遠程連接 Linux，那麼終端仿真程序通過 SSH 與 PTY master side 交換數據。

終端與偽終端的區別

至此我們可以得出這樣的結論：現在所說的終端已經不是硬件終端了，而是軟件仿真終端(終端模擬軟件)。
關於終端和偽終端，可以簡單的理解如下：

• 真正的硬件終端基本上已經看不到了，現在所說的終端、偽終端都是軟件仿真終端(即終端模擬軟件)
• 一些連接了鍵盤和顯示器的系統中，我們可以接觸到運行在內核態的軟件仿真終端(tty1-tty6)
• 通過 SSH 等方式建立的連接中使用的都是偽終端
• 偽終端是運行在用戶態的軟件仿真終端

總結

通過本文我們可以了解到，真正的硬件終端基本上已經看不到了。在一些連接了鍵盤和顯示器的系統中(當然也包括一些 vsphere 等虛擬環境)，我們可以接觸到運行在內核態的軟件仿真終端。而我們使用最多的則是偽終端。

參考：
解密TTY
Linux TTY/PTS概述
The TTY demystified
What is stored in /dev/pts files and can we open them?
終端、虛擬終端、shell、控制台、tty的區別