十辩十析之析二-----伪终端PTY

 

这两天一直在叽叽复叽叽的念叨着伪终端的相关机制。一直不懂，或者是很多东西在脑子里横冲直撞。好不容易走到了最后，就这么放弃实属可惜。但是把一大本书看下来，的确也花了我很多的时间和精力，不能就因为这么点坎而让这项工程留有遗憾。其实也在网上找了相关的资料，但是我觉得解释的都不透彻，也有可能是我智拙，总之是得不到我想要的东西。后来无奈，只能从头再来，现在也算是略知一二吧。

WHY?　对，有好好的终端存在为什么要引入伪终端，其实这一概念的提出是有历史的渊源的，也算是网络技术发展所促吧。我们知道在终端登录时，是经由自动提供语义的终端设备进行的。在终端和运行的程序之间有一个终端行规程，通过它我们能够在终端上设置特殊字符，然后系统能按这些语义进行相应的操作。这是固定终端时的情形，因为init进程知道哪些设备（有与此相关的终端行规程）可用来进行登录，并为每个设备生成一个getty　进程。但是，在网络的情况下，所有登录都经由内核的网络接口驱动程序，事先并不知道将会有多少这样的登录，所以当一个登录请求到达时，终端行规程并不是自动被加载到网络连接和登录shell之间，原因就是不能事先确定终端行规程。所以引入伪终端，其来提供终端语义。就这一点而言，可以引申，相当于对输入的数据做预处理。有了这一点共识，相信对于伪终端其他方面的应用就好理解多了。

那么纵观伪终端的应用来看，对于PTY，一般都是利用了它的二方面的性质：

（1）是提供终端语义功能，这是最基本的，这一点可以引申为应用数据的预处理。

（2）终端的性质，我们知道对于终端I/O来说，一般标准库函数会提供行缓冲，以达到对数据尽量即时的输出。

先来看几个概念：

（1）       PTY与pty:　

PTY是一个设备，它分为主设备和从设备。一般先打开主设备，为从设备设定权限和解锁后才能实现对从设备的引用。主设备与从设备是成对实现的，它们是由克隆设备来实现的，其底层一般是基于STREAMS的管道。

而pty是一个程序，一般父进程执行pty的主程序，其打开主设备，再fork一个作为会话首进程的子进程并使其具有控制终端，打开从设备，并将子进程的标准输入/出，和出错都指向从设备。这样，pty父进程和子进程之间就通过主从设备低层的管理连接在一起了。这样就建立了：终端输入/出＜－＞pty父进程＜－＞主设备＜－＞从设备＜－＞pty子进程。从以上的结构可以看出（1）可以将pty父进程这一块看成是对输入/出的一个预处理。（2）从设备＜－＞pty子进程，可以将从设备看成终端，实现某些终端功能。

（2）       终端与PTY　主设备、PTY从设备：

终端：就是一般的终端，是指真正的终端。

PTY主设备：一般是一个克隆设备，在每个系统中，有其特有的名字，我们每次按这样的名字打开时，就把它看成是已经存在的一个设备，但是这个设备怎么实现的不用用户去详细了解。一般与pty父进程相关联，由父进程将终端的输入读到这个主设备中，或是将这个主设备中的数据写到终端上去。

PTY从设备：也是一个克隆设备，与主设备是成对存在的，在每个系统中，也有其特有的名字，当我们每次以这样的名字打开时，就把它看成是一个已经客观存在的设备，不用考虑这个设备的具体实现。不同与主设备，它一般模拟的是一个带有终端行规程的终端，可以提供终端语义。

（3）       主从设备之间的实现：这是由系统的克隆设备提供的，由系统来实现，这两者之间一般是由STREAMS的管道来实现这两个之间数据的交换。

　　PTY的应用，我不想讲述具体的应用，只想大概谈论下每种应用类型所采用的PTY思想，以及采用了这样的方式解决了它们以前存在的哪些问题。

（1）       网络登录服务器：这个不用说，是始祖了，其实就是实现登录时终端语义的提供功能。

（2）       script程序：基本上利用了数据预处理的理念，在终端的输入/出和实际的处理之间将数据通过一种方式先处理下，再让其输入和输出。

（3）       expect程序：可以用来在非交互模式中驱动交互式程序的运行。有些程序（比如交互式，或是一种脚本的交互式）需要一个终端才能运行，则让伪终端从设备扮演了终端的角色，促使pty子进程的运行。同时在pty父进程中做变化，不是让脚本中的所有内容都输入到程序中，或将程序的输出送至脚本，而是要检查程序的输出，从而决定下一步输入的内容。

（4）       运行协同进程：通过一般的pipe连接的协同进程，不能使用标准I/O库进行输入或是输出。因为当通过管道与协同进程进行通信时，标准I/O库会将标准输入和输出的内容放到缓冲区中，从而引起死锁，而如果协同进程是一个已经编译的程序而我们又没有源程序时，则无法在源程序中加入fflush语句来解决这个问题。而将一个伪终端放到两个进程之间，这诱使协同进程认为它是由终端而非另一个进程驱动的，这样协同进程的标准输入和输出就像终端设备一样，所以标准I/O库将这两个流设置为行缓冲，可以尽量即时的输出和输入了。这就是利用了终端行具有行缓冲的理念，促使协同进程尽早的实现数据的I/O。

（5）       观看长时间运行程序的输出：这个就不用说了，道理同于上一个，就是利用了终端行缓冲性质，让标准I/O库认为标准输出是终端，这样能尽早的实现输出。