终端闲思录（2）- 终端的源流嬗变

终端（terminal），源自拉丁语 terminalis，意为“与边界或结尾有关，最终的”，"与计算机通信的设备"之意首次记录于 1954 年，时间上距今不足百年，而计算机日新月异的发展速度使得很多事物快速出现又快速消亡，变成随时间层层累积的沉积岩，搞清楚其源流嬗变殊为不易，以至于后来的我们很难看清事情的原貌。我实在很想拥有钩沉索微的能力，去近距离感受每处痕迹背后的波澜壮阔，而不是如今只能通过抚摸巨岩的横截面，来想象那个时代的风云际会。

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终端是一种和计算机交互的硬件设备（早期是硬件，如今已是软件），用于处理输入和输出。最早的硬件终端是电传打印机（teleprinter、teletypewriter、teletype、TTY 指的都是电传打印机），显示内容需要打印到纸上，这也是为什么我们在编程中向终端打印使用 print 而不是 display 的原因，使用屏幕显示内容还要等到 CRT（阴极射线管）设备的出现。

这些硬件终端与计算机通过串口直连，或者通过调制解调器远程连接，不过这种连接方式的距离和终端数量都很有限。如果把计算机比作一条章鱼，那么终端就是触手的顶端，从拉丁词源 terminalis “与边界或结尾有关，最终的”之意中，我们多少还能窥见这一层含义。

图 1-2 是 DEC 公司生产的图形终端 VT-100 ，广泛流行的终端模拟器和 SSH 客户端软件 SecureCRT 中，可以设置模拟的终端类型，其中就有 VT-100 系列。从 SecureCRT 各种终端类型中，依然可以看出当年终端设备市场是怎样一个山头林立的状态，这些设备没有统一的标准，各自有各自的字符转义序列。所谓的字符转义序列是指向终端发送的特殊控制字符，终端会将这些特殊字符解释为相应的功能，比如调整终端的显示，vi 类软件特别需要标准化，再比如Ctrl+C是向会话中的前台进程发送SIGINT信号（终端如何得知哪一个是前台进程请参考 Unix/Linux 手册进程组部分的内容），Ctrl+D会使得从终端读取输入的进程读取到一个end-of-file。

现代意义上的终端已经几乎全部虚拟化、软件化了，Unix/Linux 系统可以通过Ctrl+Alt+Fn 组合键切换虚拟终端，现代 Linux 系统通常在其中一个终端启动图形界面，我的 Manjaro 桌面就启动在 F2 上。Unix/Linux 在功能键上启动的这些终端即是虚拟终端/dev/ttyn。

另一个与终端有关的概念是 Console —— 控制台，控制台其实是一种终端，大多时候和计算机长在一起，不一定要有屏幕，摇杆、按钮也可称为控制台，只要是能控制计算机的都属于控制台。

现代个人计算机已经没有控制台了，终端和控制台已经虚拟化，且大多时候混用这两概念也没有问题。但寻其本意依然都有处理计算机输入与输出的意思，又因终端和控制台经常和标准三剑客关联，有些软件不免就会混淆其中，例如 java 著名的日志框架 logback 有一个输出目的地 ConsoleAppender ，其实是用 System.out 、 System.err 将内容写往标准输出和标准错误的，而标准输出和标准错误并不一定连接终端或控制台，标准三剑客的相关内容我会在后面详述，现在我们有必要看一下传统的终端登录过程，看看终端是如何被打开的。

SysV 系统中，init 进程是系统启动后用户空间拉起的第一个进程，也叫 1 号进程，现代 Linux 如果采用 Systemd 系统启动，其 1 号进程是 Systemd 进程。传统 Unix 在启动时 init 进程会扫描/etc/ttys中的内容，/etc/ttys中配置有连接到该计算机上的终端设备列表，init 进程会遍历每个设备，针对每个设备都 fork 一个进程来处理，图 1-3 展示了这个过程。

fork 之后子进程会执行getty程序，getty 会打开终端，如果终端是通过调制解调器连接的，getty 会等待对方拨号，一旦设备打开成功，文件描述符0，1，2就被设置到终端上了，而0，1，2就是标准三剑客，如果不出意外（文件描述符未被重定向），后续对0，1，2的读写都是对终端的读写，在内核中由终端驱动提供服务。不难想见，终端驱动会吸收键盘的输入，会将输出打印到设备屏幕。

getty 的最后一项使命是向终端打印“login:”，等待我们输入用户名，一旦我们输入用户名回车，getty 便功成身退，它会以类似如下方式调用login程序:

execle("/bin/login", "login", "-p", username, (char *)0, envp);

login 程序会向终端打印“Password:”来提示用户输入密码，当然终端的回显功能会被关掉。接下来 login 会做一系列的工作，比如鉴权、设置环境变量、设置 HOME 目录、开启会话、设置进程组等等，最后会调用 shell 程序：

execl("/bin/sh", "-sh", (char *)0);

如图 1-4 所示，execl 后进程变为 shell，但0，1，2文件描述符得以保留，毋庸置疑的是，此时三剑客指向终端，shell 进程的读写都依赖终端驱动程序处理。我们现在将终端驱动部分放大，看看其内部对输入输出的处理过程，如图 1-5 所示：

进程对于终端设备的读写由终端驱动处理，终端驱动维护着两个队列：输入队列和输出队列，键盘的输入会进入输入队列，最后被进程读取；进程的输出会进入输出队列，由终端显示。如果该终端设备的回显功能被打开，进入输入队列的内容会同时发送到输出队列，由终端设备显示在屏幕上，这就是你敲击键盘后终端中显示内容的原因，前文的 login 程序在收集密码时就会将回显功能关闭。

我之所以讲“你敲击键盘后终端中显示内容”而不是“shell 中显示内容”，是为了强调一个事实：你能看到的所有内容都是你的输入和 shell 的输出。你永远不会在 shell 里面，你只能给它提供输入，观察它的输出，当然是在终端上。

而此刻，shell 向终端输出了root@hostname:~ #的提示符，终端驱动程序将其打印到可见终端，当然，这个终端有可能是Ctrl+Alt+Fn 组合键下显示器呈现的虚拟终端，也有可能是视窗界面下的终端模拟器，但基本不可能是最初的终端设备了。

这当然是因为那些设备现在已经消失了，物理设备一经消亡，原本显示的重任就交给显卡来处理了，终端驱动想必会因此生出黍离一样的悲痛。而我们当然不会在乎终端驱动是否悲痛，我们只是对这种割裂感有所不适。

Ctrl+Alt+Fn 组合键大概是对早期硬件终端连接场景的模拟，毕竟在 PC 个人化以及 shell 作业控制广泛应用的今天，实在看不出它还有什么其它的意义。因为在这种场景下进入终端，我们只能看到显示设备（不能称之为终端，如显示器）以及 shell 的输出，终端一词就像无源之水、无根之木一样没了着落。

请允许我用夸张的舞台腔背诵加缪《西西弗神话》中的段落："在一个突然被剥夺了幻觉和光明的宇宙中，人就感到自己是个局外人。这种放逐无可救药，因为人被剥夺了对故乡的回忆和对乐土的希望。这种人和生活的分离，演员和布景的分离，正是荒诞感。"

终端和 shell 的概念纠缠正是出于这种荒诞感！

讲到这里，似乎不再需要刻意去辨析终端和 shell 的区别了，现象已经很明朗：连接到终端的最终程序是 shell，shell 以及由此 shell 启动的任何程序其三剑客都指向终端，它们的输出也会打印到终端。作为计算机行业的新新人类，失去了物理真实的触摸，极目所望，尽是 shell 及其子孙的输出，终端的概念早已淹没其中，混淆也就在所难免了。

视窗界面下的终端模拟器似乎将这种荒诞缓和了一些，但也仅仅是一些，在一个单薄的窗口中，shell 的输出占据了绝大多数的领地，只有边框和工具栏在隐隐的提示人们：我是有形的！

无论如何，由电传打印机沿袭下来的 tty 一词却在 Unix 中留下了深深的印记，tty 子系统、tty 驱动、虚拟终端 /dev/ttyn、伪终端 pty 等都有着teletype的影子。

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上述终端登录场景，进程打开的设备是/dev/ttyn，通常被称为虚拟终端，基本只有在Ctrl+Alt+Fn 组合键和虚拟机管理界面的控制台进入的终端属于此类。大多数场景用的都是伪终端，比如终端模拟器和网络 SSH 登录，本节我们就梳理一下这两种常见的终端场景。

伪终端其实是 IPC（进程间通信）的一种，它有一对主从设备， 也叫伪终端对，分别连接着两个进程：

图 2-1 是使用伪终端相关进程的典型结构，伪终端主设备和从设备组成了一个双向管道，连接了两个进程。通常连接从设备的进程是 shell，所以，对 shell 来讲伪终端从设备表现的就像原来的终端设备，终端驱动也是和从设备相连，进程对终端的读写都发往从设备。

与以往不同的是，进程眼中的终端设备在这里不以显示为直接目的，而是将输出发往另一个进程，输入也要从另一个进程读取，而这正是为终端模拟器和网络 SSH 登录设计的，我们先看一看终端模拟器的情况：

图 2-2 展示了一个打开了两个窗口的终端模拟器，终端模拟器是一个图形化的视窗程序，针对每一个窗口创建一个伪终端对，并 fork 出 shell 进程，将 shell 进程的标准三剑客连接到伪终端从设备，如此一来，shell 便从终端模拟器程序读取输入，输出发往终端模拟器，最后被渲染到窗口界面。这是连接本地终端的情况，下面再看一下 SSH 登录：

SSH 是使用伪终端的另一个例子，它允许本地用户安全地通过网络连接到远程机器上登录 shell，图 2-3 展示了这种情况，ssh server 为每个登录请求创建伪终端对，并 fork 出 shell 进程连接到伪终端从设备。客户端的输入通过网络抵达 ssh server，ssh server 发往伪终端主设备，最终变为 shell 进程的标准输入；同样，由 shell 产生的输出经过伪终端主设备抵达 ssh server，再经 ssh server 发送到网络，最终被 ssh client 接收。现在请你思考一下：ssh client 会如何处理接收到的 shell 输出呢？

从图中不难看出，ssh client 要将 shell 的输出送往终端显示，问题是你能猜出图中的terminal是什么设备吗？

其实我们已经讲过了，此处的terminal可以看作图 2-2 的缩影，ssh client 连接的是本地伪终端对中的从设备，用户使用的可能是终端模拟器，模拟器 fork 的进程就是 ssh client，shell 的提示符root@localhost:~ # 历经千山万水，终于呈现在你本地的终端模拟器上了。