當我們在鍵盤上敲下一個字母的時候，到底是怎麼發送到對應的進程的呢？我們透過ps、who等命令看到的類似tty1、pts/0這樣的輸出，它們的作用和差異是什麼呢？
TTY歷史
支援多任務的電腦出現之前
在電腦出來以前，人們就已經在使用一種叫teletype的設備，用來相互之間傳遞訊息，看起來像下面這樣：
+----------+ Physical Line +----------+ | teletype |<--------------------->| teletype | +----------+ +----------+
兩個teletype之間用線連接起來，線兩端可能也有類似於調製解調器之類的設備（這裡將它們忽略），在一端的teletype上敲鍵盤時，對應的資料會傳送到另一端的teletype，具體功能是做什麼的，我也不太了解。 (我腦袋裡面想到畫面是在一端敲字，另一端印出來)
這些都是老古董了，完全沒接觸過，所以只能簡單的推測。
支援多任務的電腦出現之後
等到電腦支援多任務後，人們想到把這些teletype連到電腦上，作為電腦的終端，從而可以操作電腦。
使用teletype的主要原因有兩個（個人洞察）：
#現實中已經存在了大量不同廠商的teletype，可以充分利用現有資源
teletype的相關網路已經比較成熟，連起來方便
#於是連接就發展成這樣：
+----------+ +----------+ +-------+ Physical Line +-------+ +------+ | | | Terminal |<->| Modem |<--------------------->| Modem |<->| UART |<->| Computer | +----------+ +-------+ +-------+ +------+ | | +----------+
-
左邊的Terminal就是各種各樣的teletype
物理線路兩邊用上了Modem，就是我們常說的“貓”，那是因為後來網路已經慢慢的變發達了，大家可以共享連接了。 （大概推測，可能不對）
UART可以理解為將teletype的訊號轉換成電腦能辨識的訊號的裝置
核心TTY子系統
電腦為了支援這些teletype，於是設計了名字叫做TTY的子系統，內部結構如下：
+-----------------------------------------------+ | Kernel | | +--------+ | | +--------+ +------------+ | | | +----------------+ | | UART | | Line | | TTY |<---------->| User process A | <------>| |<->| |<->| | | +----------------+ | | driver | | discipline | | driver |<---------->| User process B | | +--------+ +------------+ | | | +----------------+ | +--------+ | | | +-----------------------------------------------+
UART driver對接外面的UART設備
Line discipline主要是對輸入和輸出做一些處理，可以理解它是TTY driver的一部分
- ##TTY driver用來處理各種終端設備
- 用戶空間的進程透過TTY driver來和終端處理
為了簡單起見，後面的介紹中不再單獨列出UART driver和Line discipline，可以認為它們是TTY driver的一部分TTY設備對於每一個終端，TTY driver都會創建一個TTY設備與它對應，如果有多個終端連接過來，那麼看起來就是這個樣子的：
+----------------+ | TTY Driver | | | | +-------+ | +----------------+ +------------+ | | |<---------->| User process A | | Terminal A |<--------->| ttyS0 | | +----------------+ +------------+ | | |<---------->| User process B | | +-------+ | +----------------+ | | | +-------+ | +----------------+ +------------+ | | |<---------->| User process C | | Terminal B |<--------->| ttyS1 | | +----------------+ +------------+ | | |<---------->| User process D | | +-------+ | +----------------+ | | +----------------+當驅動收到一個終端的連接時，就會根據終端的型號和參數創建相應的tty設備（上圖中設備名稱叫ttyS0是因為大部分終端的連接都是串列連接），由於每個終端可能都不一樣，有自己的特殊指令和使用習慣，所以每個tty設備的配置可能都不一樣。例如按delete鍵的時候，有些可能是要刪前面的字符，而有些可能是刪後面的，如果沒配置對，就會導致某些按鍵不是自己想要的行為，這也是我們在使用模擬終端時，如果預設的配置跟我們的習慣不符，需要做一些個人化配置的原因。 後來隨著電腦的不斷發展，teletype這些設備逐漸消失，我們不再需要專門的終端設備了，每個機器都有自己的鍵盤和顯示器，每台機器都可以是其它機器的終端，遠端的操作透過ssh來實現，但是核心TTY驅動這一架構沒有發生變化，我們想要和系統中的進程進行I/O交互，還是需要透過TTY設備，於是出現了各種終端模擬軟體，且模擬的也是常見的幾種終端，如VT100、VT220、XTerm等。
程式如何和TTY打交道在討論TTY裝置是如何被建立及配置之前，我們先來看看TTY是如何被進程使用的：
- 可以透過指令
toe -a
列出系統支援的所有終端類型- 可以透過指令infocmp來比較兩個終端的區別，例如
infocmp vt100 vt220
將會輸出vt100和vt220的差異。
#先用tty命令看看当前bash关联到了哪个tty dev@debian:~$ tty /dev/pts/1 #看tty都被哪些进程打开了 dev@debian:~$ lsof /dev/pts/1 COMMAND PID USER FD TYPE DEVICE SIZE/OFF NODE NAME bash 907 dev 0u CHR 136,1 0t0 4 /dev/pts/1 bash 907 dev 1u CHR 136,1 0t0 4 /dev/pts/1 bash 907 dev 2u CHR 136,1 0t0 4 /dev/pts/1 bash 907 dev 255u CHR 136,1 0t0 4 /dev/pts/1 lsof 1118 dev 0u CHR 136,1 0t0 4 /dev/pts/1 lsof 1118 dev 1u CHR 136,1 0t0 4 /dev/pts/1 lsof 1118 dev 2u CHR 136,1 0t0 4 /dev/pts/1 #往tty里面直接写数据跟写标准输出是一样的效果 dev@dev:~$ echo aaa > /dev/pts/2 aaa
pts也是tty設備，它們的關係後面會介紹到透過上面的lsof可以看出，目前運行的bash和lsof進程的stdin( 0u)、stdout(1u)、stderr(2u)都綁定到了這個TTY上。 下面是tty和進程以及I/O裝置互動的結構圖：
Input +--------------------------+ R/W +------+ ----------->| |<---------->| bash | | pts/1 | +------+ <-----------| |<---------->| lsof | Output | Foreground process group | R/W +------+ +--------------------------+
- 可以把tty理解成一個管道（pipe），在一端寫的內容可以從另一端讀取出來，反之亦然。
这里input和output可以简单的理解为键盘和显示器，后面会介绍在各种情况下input/ouput都连接的什么东西。
tty里面有一个很重要的属性，叫Foreground process group，记录了当前前端的进程组是哪一个。process group的概念会在下一篇文章中介绍，这里可以简单的认为process group里面只有一个进程。
当pts/1收到input的输入后，会检查当前前端进程组是哪一个，然后将输入放到进程组的leader的输入缓存中，这样相应的leader进程就可以通过read函数得到用户的输入
当前端进程组里面的进程往tty设备上写数据时，tty就会将数据输出到output设备上
当在shell中执行不同的命令时，前端进程组在不断的变化，而这种变化会由shell负责更新到tty设备中
从上面可以看出，进程和tty打交道很简单，只要保证后台进程不要读写tty就可以了，即写后台程序时，要将stdin/stdout/stderr重定向到其它地方（当然deamon程序还需要做很多其它处理）。
先抛出两个问题(后面有答案)：
当非前端进程组里面的进程（后台进程）往tty设备上写数据时，会发生什么？会输出到outpu上吗？
当非前端进程组里面的进程（后台进程）从tty设备上读数据时，会发生什么？进程会阻塞吗？
TTY是如何被创建的
下面介绍几种常见的情况下tty设备是如何创建的，以及input和output设备都是啥。
键盘显示器直连（终端）
先看图再说话：
+-----------------------------------------+ | Kernel | | +--------+ | +----------------+ +----------+ | +-------------------+ | tty1 |<---------->| User processes | | Keyboard |--------->| | +--------+ | +----------------+ +----------+ | | Terminal Emulator |<->| tty2 |<---------->| User processes | | Monitor |<---------| | +--------+ | +----------------+ +----------+ | +-------------------+ | tty3 |<---------->| User processes | | +--------+ | +----------------+ | | +-----------------------------------------+
键盘、显示器都和内核中的终端模拟器相连，由模拟器决定创建多少tty，比如你在键盘上输入ctrl+alt+F1时，模拟器首先捕获到该输入，然后激活tty1，这样键盘的输入会转发到tty1，而tty1的输出会转发到显示器，同理用输入ctrl+alt+F2，就会切换到tty2。
当模拟器激活tty时如果发现没有进程与之关联，意味着这是第一次打开该tty，于是会启动配置好的进程并和该tty绑定，一般该进程就是负责login的进程。
当切换到tty2后，tty1里面的输出会输出到哪里呢？tty1的输出还是会输出给模拟器，模拟器里会有每个tty的缓存，不过由于模拟器的缓存空间有限，所以下次切回tty1的时候，只能看到最新的输出，以前的输出已经不在了。
不确定这里的终端模拟器对应内核中具体的哪个模块，但肯定有这么个东西存在
SSH远程访问
+----------+ +------------+ | Keyboard |------>| | +----------+ | Terminal | | Monitor |<------| | +----------+ +------------+ | | ssh protocol | ↓ +------------+ | | | ssh server |--------------------------+ | | fork | +------------+ | | ↑ | | | | write | | read | | | | +-----|---|-------------------+ | | | | | ↓ | ↓ | +-------+ | +-------+ | +--------+ | pts/0 |<---------->| shell | | | | +-------+ | +-------+ | | ptmx |<->| pts/1 |<---------->| shell | | | | +-------+ | +-------+ | +--------+ | pts/2 |<---------->| shell | | +-------+ | +-------+ | Kernel | +-----------------------------+
这里的Terminal可能是任何地方的程序，比如windows上的putty，所以不讨论客户端的Terminal程序是怎么和键盘、显示器交互的。由于Terminal要和ssh服务器打交道，所以肯定要实现ssh的客户端功能。
这里将建立连接和收发数据分两条线路解释，为了描述简洁，这里以sshd代替ssh服务器程序：
建立连接
1.Terminal请求和sshd建立连接
2.如果验证通过，sshd将创建一个新的session
3.调用API（posix_openpt()）请求ptmx创建一个pts，创建成功后，sshd将得到和ptmx关联的fd，并将该fd和session关联起来。
#pty（pseudo terminal device）由两部分构成，ptmx是master端，pts是slave端， #进程可以通过调用API请求ptmx创建一个pts，然后将会得到连接到ptmx的读写fd和一个新创建的pts， #ptmx在内部会维护该fd和pts的对应关系，随后往这个fd的读写会被ptmx转发到对应的pts。 #这里可以看到sshd已经打开了/dev/ptmx dev@debian:~$ sudo lsof /dev/ptmx COMMAND PID USER FD TYPE DEVICE SIZE/OFF NODE NAME sshd 1191 dev 8u CHR 5,2 0t0 6531 /dev/ptmx sshd 1191 dev 10u CHR 5,2 0t0 6531 /dev/ptmx sshd 1191 dev 11u CHR 5,2 0t0 6531 /dev/ptmx
4.同时sshd创建shell进程，将新创建的pts和shell绑定
收发消息
1.Terminal收到键盘的输入，Terminal通过ssh协议将数据发往sshd
2.sshd收到客户端的数据后，根据它自己管理的session，找到该客户端对应的关联到ptmx上的fd
3.往找到的fd上写入客户端发过来的数据
4.ptmx收到数据后，根据fd找到对应的pts（该对应关系由ptmx自动维护），将数据包转发给对应的pts
5.pts收到数据包后，检查绑定到自己上面的当前前端进程组，将数据包发给该进程组的leader
6.由于pts上只有shell，所以shell的read函数就收到了该数据包
7.shell对收到的数据包进行处理，然后输出处理结果（也可能没有输出）
8.shell通过write函数将结果写入pts
9.pts将结果转发给ptmx
10.ptmx根据pts找到对应的fd，往该fd写入结果
11.sshd收到该fd的结果后，找到对应的session，然后将结果发给对应的客户端
键盘显示器直连（图形界面）
+----------+ +------------+ | Keyboard |------>| | +----------+ | Terminal |--------------------------+ | Monitor |<------| | fork | +----------+ +------------+ | | ↑ | | | | write | | read | | | | +-----|---|-------------------+ | | | | | ↓ | ↓ | +-------+ | +-------+ | +--------+ | pts/0 |<---------->| shell | | | | +-------+ | +-------+ | | ptmx |<->| pts/1 |<---------->| shell | | | | +-------+ | +-------+ | +--------+ | pts/2 |<---------->| shell | | +-------+ | +-------+ | Kernel | +-----------------------------+
为了简化起见，本篇不讨论Linux下图形界面里Terminal程序是怎么和键盘、显示器交互的。
这里和上面的不同点就是，这里的Terminal不需要实现ssh客户端，但需要把ssh服务器要干的活也干了（当然ssh通信相关的除外）。
SSH + Screen/Tmux
常用Linux的同学应该对screen和tmux不陌生，通过它们启动的进程，就算网络断开了，也不会受到影响继续执行，下次连上去时还能看到进程的所有输出，还能继续接着干活。
这里以tmux为例介绍其原理：
+----------+ +------------+
| Keyboard |------>| |
+----------+ | Terminal |
| Monitor |<------| |
+----------+ +------------+
|
| ssh protocol
|
↓
+------------+
| |
| ssh server |--------------------------+
| | fork |
+------------+ |
| ↑ |
| | |
write | | read |
| | |
+-----|---|-------------------+ |
| ↓ | | ↓
| +--------+ +-------+ | +-------+ fork +-------------+
| | ptmx |<->| pts/0 |<---------->| shell |-------->| tmux client |
| +--------+ +-------+ | +-------+ +-------------+
| | | | ↑
| +--------+ +-------+ | +-------+ |
| | ptmx |<->| pts/2 |<---------->| shell | |
| +--------+ +-------+ | +-------+ |
| ↑ | Kernel | ↑ |
+-----|---|-------------------+ | |
| | | |
|w/r| +---------------------------+ |
| | | fork |
| ↓ | |
+-------------+ |
| | |
| tmux server |<--------------------------------------------+
| |
+-------------+系统中的ptmx只有一个，上图中画出来了两个，目的是为了表明tmux服务器和sshd都用ptmx，但它们之间又互不干涉。
这种情况要稍微复杂一点，不过原理都是一样的，前半部分和普通ssh的方式是一样的，只是pts/0关联的前端进程不是shell了，而是变成了tmux客户端，所以ssh客户端发过来的数据包都会被tmux客户端收到，然后由tmux客户端转发给tmux服务器，而tmux服务器干的活和ssh的类似，也是维护一堆的session，为每个session创建一个pts，然后将tmux客户端发过来的数据转发给相应的pts。
由于tmux服务器只和tmux客户端打交道，和sshd没有关系，当终端和sshd的连接断开时，虽然pts/0会被关闭，和它相关的shell和tmux客户端也将被kill掉，但不会影响tmux服务器，当下次再用tmux客户端连上tmux服务器时，看到的还是上次的内容。
TTY和PTS的区别
从上面的流程中应该可以看出来了，对用户空间的程序来说，他们没有区别，都是一样的；从内核里面来看，pts的另一端连接的是ptmx，而tty的另一端连接的是内核的终端模拟器，ptmx和终端模拟器都只是负责维护会话和转发数据包；再看看ptmx和内核终端模拟器的另一端，ptmx的另一端连接的是用户空间的应用程序，如sshd、tmux等，而内核终端模拟器的另一端连接的是具体的硬件，如键盘和显示器。
常见的TTY配置
先先来看看当前tty的所有配置：
dev@dev:~$ stty -a speed 38400 baud; rows 51; columns 204; line = 0; intr = ^C; quit = ^\; erase = ^?; kill = ^U; eof = ^D; eol = M-^?; eol2 = M-^?; swtch =; start = ^Q; stop = ^S; susp = ^Z; rprnt = ^R; werase = ^W; lnext = ^V; discard = ^O; min = 1; time = 0; -parenb -parodd -cmspar cs8 -hupcl -cstopb cread -clocal -crtscts -ignbrk -brkint -ignpar -parmrk -inpck -istrip -inlcr -igncr icrnl ixon -ixoff -iuclc ixany imaxbel -iutf8 opost -olcuc -ocrnl onlcr -onocr -onlret -ofill -ofdel nl0 cr0 tab0 bs0 vt0 ff0 isig icanon iexten echo echoe echok -echonl -noflsh -xcase -tostop -echoprt echoctl echoke -flusho -extproc
stty还可以用来修改tty的参数，用法请参考
man stty
只要是有权限的程序，都可以通过Linux提供的API来修改TTY的配置，下面介绍一些常见的的配置项。
rows 51; columns 204;
这个配置一般由终端控制，当终端的窗口大小发生变化时，需要通过一定的手段修改该配置，比如ssh协议里面就有修改窗口大小的参数，sshd收到客户端的请求后，会通过API修改tty的这个参数，然后由tty通过信号SIGWINCH通知前端程序（比如shell或者vim），前端程序收到信号后，再去读tty的这个参数，然后就知道如何调整自己的输出排版了。
intr = ^C
tty除了在终端和前端进程之间转发数据之外，还支持很多控制命令，比如终端输入了CTRL+C，那么tty不会将该输入串转发给前端进程，而是将它转换成信号SIGINT发送给前端进程。这个就是用来配置控制命令对应的输入组合的，比如我们可以配置“intr = ^E”表示用CTRL+E代替CTRL+C。
start = ^Q; stop = ^S;
这是两个特殊的控制命令，估计经常有人会碰到，在键盘上不小心输入CTRL+S后，终端没反应了，即没输出，也不响应任何输入。这是因为这个命令会告诉TTY暂停，阻塞所有读写操作，即不转发任何数据，只有按了CTRL+Q后，才会继续。这个功能应该是历史遗留，以前终端和服务器之间没有流量控制功能，所以有可能服务器发送数据过快，导致终端处理不过来，于是需要这样一个命令告诉服务器不要再发了，等终端处理完了后在通知服务器继续。
该命令现在比较常用的一个场景就是用tail -f命令监控日志文件的内容时，可以随时按CTRL+S让屏幕停止刷新，看完后再按CTRL+Q让它继续刷，如果不这样的话，需要先CTRL+C退出，看完后在重新运行tail -f命令。
echo
在终端输入字符的时候，之所以我们能及时看到我们输入的字符，那是因为TTY在收到终端发过去的字符后，会先将字符原路返回一份，然后才交给前端进程处理，这样终端就能及时的显示输入的字符。echo就是用来控制该功能的配置项，如果是-echo的话表示disable echo功能。
-tostop
如果你在shell中运行程序的时候，后面添加了&，比如./myapp &，这样myapp这个进程就会在后台运行，但如果这个进程继续往tty上写数据呢？这个参数就用来控制是否将输出转发给终端，也即结果会不会在终端显示，这里“-tostop”表示会输出到终端，如果配置为“tostop”的话，将不输出到终端，并且tty会发送信号SIGTTOU给myapp，该信号的默认行为是将暂停myapp的执行。
TTY相關訊號
除了上面介紹配置時提到的SIGINT，SIGTTOU，SIGWINCHU外，還有這麼多跟TTY相關的訊號
SIGTTIN
#當後台程序讀取tty時，tty將發送該訊號給對應的進程組，預設行為是暫停進程組中進程的執行。暫停的進程如何繼續執行？請參考下一篇文章中的SIGCONT。
SIGHUP
當tty的另一端掛掉的時候，例如ssh的session斷開了，於是sshd關閉了和ptmx關聯的fd，核心將會給和該tty相關的所有進程發送SIGHUP訊號，進程收到該訊號後的預設行為是退出進程。
SIGTSTP
終端機輸入CTRL Z時，tty收到後就會發送SIGTSTP給前端進程組，其預設行為是將前端進程組放到後端，並且暫停進程組裡所有進程的執行。
跟tty相關的訊號都是可以捕捉的，可以修改它的預設行為
#結束語
本文介紹了常見的tty功能和特點，下一篇將詳細介紹和tty密切相關的進程session id，進程組，job，後台程式等，敬請期待。
相關推薦：《linux影片教學》