Linux 僞終端(pty)

經過《Linux 終端(TTY)》一文咱們瞭解到：咱們常說的終端分爲終端 tty1-6 和僞終端。使用 tty1-6 的狀況通常爲 Linux 系統直接連了鍵盤和顯示器，或者是使用了 vSphere console 等虛擬化方案，其它狀況下使用的都是僞終端。本文將介紹僞終端的基本概念。本文中演示部分使用的環境爲 ubuntu 18.04。

僞終端

僞終端(pseudo terminal，有時也被稱爲 pty)是指僞終端 master 和僞終端 slave 這一對字符設備。其中的 slave 對應 /dev/pts/ 目錄下的一個文件，而 master 則在內存中標識爲一個文件描述符(fd)。僞終端由終端模擬器提供，終端模擬器是一個運行在用戶態的應用程序。

Master 端是更接近用戶顯示器、鍵盤的一端，slave 端是在虛擬終端上運行的 CLI(Command Line Interface，命令行接口)程序。Linux 的僞終端驅動程序，會把 master 端(如鍵盤)寫入的數據轉發給 slave 端供程序輸入，把程序寫入 slave 端的數據轉發給 master 端供(顯示器驅動等)讀取。請參考下面的示意圖(此圖來自互聯網)：

咱們打開的終端桌面程序，好比 GNOME Terminal，實際上是一種終端模擬軟件。當終端模擬軟件運行時，它經過打開 /dev/ptmx 文件建立了一個僞終端的 master 和 slave 對，並讓 shell 運行在 slave 端。當用戶在終端模擬軟件中按下鍵盤按鍵時，它產生字節流並寫入 master 中，shell 進程即可從 slave 中讀取輸入；shell 和它的子程序，將輸出內容寫入 slave 中，由終端模擬軟件負責將字符打印到窗口中。

僞終端的使用場景

僞終端大概有三類使用場景：

• 像 xterm、gnome-terminal 等圖形界面的終端模擬軟件將鍵盤和鼠標事件轉換爲文本輸入，並圖形化地顯示輸出內容
• 遠程 shell 應用程序(如 sshd)在客戶機上的遠程終端和服務器上的僞終端之間中繼輸入和輸出
• 多路複用器應用,如 screen 和 tmux。它們把輸入和輸出從一個終端轉播到另外一個終端，使文本模式的應用程序從實際的終端上脫離

Linux 中爲何要提出僞終端這個概念呢？shell 等命令行程序不能夠直接從顯示器和鍵盤讀取數據嗎？
爲了同屏運行多個終端模擬器、並實現遠程登陸，還真不能讓 shell 直接跨過僞終端這一層。在操做系統的一大思想——虛擬化的指導下，爲多個終端模擬器、遠程用戶分配多個虛擬的終端是有必要的。上圖中的 shell 使用的 slave 端就是一個虛擬化的終端。Master 端是模擬用戶一端的交互。之因此稱爲虛擬化的終端，是由於它除了轉發數據流外，還要有點終端的樣子。

僞終端原理

僞終端本質上是運行在用戶態的終端模擬器建立的一對字符設備。其中的 slave 對應 /dev/pts/ 目錄下的一個文件，而 master 則在內存中標識爲一個文件描述符(fd)。對於僞終端來講，重點是軟件仿真終端程序運行在用戶空間，這是它與終端的本質區別，請參考下面的示意圖：

/dev/ptmx 是一個字符設備文件，當進程打開 /dev/ptmx 文件時，進程會同時得到一個指向 pseudoterminal master(ptm)的文件描述符和一個在 /dev/pts 目錄中建立的 pseudoterminal slave(pts) 設備。經過打開 /dev/ptmx 文件得到的每一個文件描述符都是一個獨立的 ptm，它有本身關聯的 pts，ptmx(能夠認爲內存中有一個 ptmx 對象)在內部會維護該文件描述符和 pts 的對應關係，對這個文件描述符的讀寫都會被 ptmx 轉發到對應的 pts。咱們能夠經過 lsof 命令查看 ptmx 打開的文件描述符：

$ sudo lsof /dev/ptmx

進程默認的 IO

通常狀況下咱們經過遠程鏈接的方式執行命令時，進程的標準輸入、標準輸出和標準錯誤輸出都會綁定到僞終端上，下面是一個簡單的 demo 程序：

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
int main()
{
    printf("PID : %d\n", getpid());
    sleep(200);

    printf("\n");
    return 0;
}

把這段代碼保存在文件 mydemo.c 中，而後執行下面的命令編譯並執行該程序：

$ gcc -Wall mydemo.c -o demo
$ ./demo

demo 程序輸出了本身進程的 PID，如今另外開一個終端執行 lsof 命令：

$ lsof -p 17981

能夠看到進程的 0u(標準輸入)、1u(標準輸出)、2u(標準錯誤輸出)都綁定到了僞終端 /dev/pts/0 上。

 

參考：
Linux TTY/PTS概述
The TTY demystified
僞終端 pts man page
僞終端 pty man page