Linux TTY简介：掌握原理，实现命令行交互 (linux tty 原理)

在Linux系统中，TTY指的是终端机或终端设备。TTY是一种提供了命令行交互的设备，它是类Unix操作系统中最基础的用户界面。尽管现代的Linux发行版中很多的GUI（图形用户界面），但有些任务仍然需要在TTY下完成。本文将介绍Linux TTY的原理，同时带领读者实现基本的命令行交互。

1. TTY的类型

在Linux中，实际存在着多种不同类型的TTY，它们之间存在这些区别和联系。以下是一些常见的TTY类型：

1.1 硬件TTY

硬件TTY通常指的是物理终端设备，如串口终端、打印终端、普通串口等。Linux系统需要将物理终端映射为一个虚拟TTY，这样用户才能使用这些终端。

1.2 虚拟TTY

虚拟TTY通常指的是由操作系统模拟出来的终端设备，用户可以连接来自主机或者网络上的另一个终端。在Linux中，使用Ctrl+Alt+F1~F6就可以在不同的TTY之间切换。

1.3 伪终端（pty）

伪终端是另一种比较特殊的TTY类型，它由Linux内核为了支持远程登录而提供的一个抽象设备。伪终端允许用户和远程主机之间进行交互，让用户和服务器之间的通信成为可能。在Linux中，我们可以使用ssh或telnet等协议连接到远程主机。在这个连接过程中，伪终端技术被广泛使用。

2. TTY的原理

在Linux系统中，终端设备实际上是由硬件和软件两个部分组成的。硬件部分主要指的是物理终端设备，软件部分主要指的是Linux内核中的TTY驱动程序。

2.1 Linux内核中的TTY驱动程序

在Linux内核中，实现TTY的关键部分就是相关的驱动程序。这些驱动程序负责管理从硬件终端设备到虚拟终端之间的所有交互。对于一些常见的终端设备，如串口和键盘，Linux内核已经提供了相应的驱动程序。

2.2 终端设备的读写

在Linux中，应用程序和终端设备之间的通信都是通过流的形式传递的。例如，当我们在终端输入一个字符时，它会被以流的形式发送到应用程序中。相反，当应用程序向终端设备输出数据时，它也是以流的形式进行的。

在Linux系统中，流式通信是由内核来保证的。在掌握如何使用终端设备之前，有必要了解一下流的概念。流分为字符流和块流两种。字符流是像键盘或串口一样处理一个字符一个字符的流，而块流是像硬盘或网络连接一样处理一个数据块一个数据块的流。由于TTY主要处理的是字符流，因此我们这里只介绍字符流的实现。

对于TTY设备的读写操作，内核使用了两个重要的数据结构，一个是tty_struct结构体，另一个是file_operations结构体。tty_struct结构体用于存储TTY设备的相关信息，例如终端类型、设备地址等；而file_operations结构体中则保存了关于TTY设备读取和写入的函数指针。

2.3 终端设备的控制

除了读写数据外，终端设备还需要能够控制一些特殊的功能，如换行、清屏等。为了实现这些功能，Linux内核使用了控制字符。控制字符是一些转义序列，它们是用一些特殊的字符组合而成的。例如，Ctrl+C组合键就会产生一个控制字符，它用于中断正在运行的程序。

在终端设备中，一些比较常见的控制字符有Ctrl+C、Ctrl+Z、Ctrl+W等等。当用户按下这些组合键时，终端会将它们作为一个控制字符发送到应用程序中。应用程序可以通过解析控制字符的方式来执行一些特殊的操作，例如中断程序的运行、暂停程序、删除光标前面的一个单词等等。

3. TTY的交互

掌握了上面的原理之后，我们就可以开始实现基本的命令行交互了。下面，我们将带领读者完成简化版的命令行程序。

3.1 准备工作

我们需要准备一个文件文件，文件名为tty.c。然后我们在文件中添加以下信息：

“`

#include

#include

#include

#include

int mn() {

char c;

struct termios old_tio, new_tio;

tcgetattr(STDIN_FILENO,&old_tio);

new_tio=old_tio;

new_tio.c_lflag &=(~ICANON & ~ECHO);

tcsetattr(STDIN_FILENO,TCSANOW,&new_tio);

while (1) {

c=getchar();

if (c==’q’) {

break;

}

}

tcsetattr(STDIN_FILENO,TCSANOW,&old_tio);

exit(0);

}

“`

这是一个非常简单的C程序，它允许我们从终端读取一个字符，然后在屏幕上显示出来。当我们按下’q’键时，这个程序就会退出。

这个程序的实现原理并不复杂，首先它会调用tcgetattr()函数来获取终端的属性，其中的三个参数分别是文件描述符、指向termios结构体的指针（此处使用old_tio变量），以及一个错误处理参数。tcgetattr()函数将终端的属性保存到old_tio中。

接下来，程序将old_tio的值复制到一个新的termios结构体new_tio中。然后，使用掩码来关闭canonical模式和回显模式。canonical模式会让输入立即回显，而不是等待用户回车，而回显模式会让终端打印出我们输入的字符。

在while循环中，我们将调用getchar()函数来读取一个字符。当读入的字符为’q’时，我们就退出循环。最后我们重新设置终端属性，然后使用exit()函数退出程序。

3.2 编译并运行程序

编辑完程序后，我们需要编译并运行它。在终端中输入以下命令：

“`

$ gcc -o tty tty.c

$ ./tty

“`

执行这个程序之后，我们会看到一个光标在屏幕上处于等待状态。当我们输入任何字符时，该字符都会立即显示在屏幕上。输入’q’键之后，程序就会退出。

4. 结论