一起聊聊Linux TTY/PTS及其作用區別

當我們在鍵盤上敲下一個字母的時候，到底是怎么發送到相應的進程的呢？我們通過ps、who等命令看到的類似tty1、pts/0這樣的輸出，它們的作用和區別是什么呢？

TTY歷史

支持多任務的計算機出現之前

在計算機出來以前，人們就已經在使用一種叫teletype的設備，用來相互之間傳遞信息，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于調制解調器之類的設備（這里將它們忽略），在一端的teletype上敲鍵盤時，相應的數據會發送到另一端的teletype，具體功能是干什么的，我也不太了解。(我腦袋里面想到畫面是在一端敲字，另一端打印出來)

這些都是老古董了，完全沒接觸過，所以只能簡單的推測。

支持多任務的計算機出現之后

等到計算機支持多任務后，人們想到把這些teletype連到計算機上，作為計算機的終端，從而可以操作計算機。

使用teletype的主要原因有兩個（個人見解）：

• 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的相關網絡已經比較成熟，連起來方便

于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”，那是因為后來網絡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的信號轉換成計算機能識別的信號的設備

內核TTY子系統

計算機為了支持這些teletype，于是設計了名字叫做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

• 用戶空間的進程通過TTY driver來和終端打交道

為了簡單起見，后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

對于每一個終端，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，那么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行連接），由于每個終端可能都不一樣，有自己的特殊命令和使用習慣，于是每個tty設備的配置可能都不一樣。比如按delete鍵的時候，有些可能是要刪前面的字符，而有些可能是刪后面的，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，如果默認的配置跟我們的習慣不符，需要做一些個性化配置的原因。

后來隨著計算機的不斷發展，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，每臺機器都可以是其它機器的終端，遠程的操作通過ssh來實現，但是內核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，還是需要通過TTY設備，于是出現了各種終端模擬軟件，并且模擬的也是常見的幾種終端，如VT100、VT220、XTerm等。

1. 可以通過命令toe -a列出系統支持的所有終端類型

2. 可以通過命令infocmp來比較兩個終端的區別，比如infocmp vt100 vt220將會輸出vt100和vt220的區別。

程序如何和TTY打交道

在討論TTY設備是如何被創建及配置之前，我們先來看看TTY是如何被進程使用的：

#先用tty命令看看當前bash關聯到了哪個tty dev@debian:~$ tty /dev/pts/1  #看tty都被哪些進程打開了 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里面直接寫數據跟寫標準輸出是一樣的效果 dev@dev:~$ echo aaa > /dev/pts/2 aaa

pts也是tty設備，它們的關系后面會介紹到

通過上面的lsof可以看出，當前運行的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設備交互的結構圖：

   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。

• 這里input和output可以簡單的理解為鍵盤和顯示器，后面會介紹在各種情況下input/ouput都連接的什么東西。

• tty里面有一個很重要的屬性，叫Foreground process group，記錄了當前前端的進程組是哪一個。process group的概念會在下一篇文章中介紹，這里可以簡單的認為process group里面只有一個進程。

• 當pts/1收到input的輸入后，會檢查當前前端進程組是哪一個，然后將輸入放到進程組的leader的輸入緩存中，這樣相應的leader進程就可以通過read函數得到用戶的輸入

• 當前端進程組里面的進程往tty設備上寫數據時，tty就會將數據輸出到output設備上

• 當在shell中執行不同的命令時，前端進程組在不斷的變化，而這種變化會由shell負責更新到tty設備中

從上面可以看出，進程和tty打交道很簡單，只要保證后臺進程不要讀寫tty就可以了，即寫后臺程序時，要將stdin/stdout/stderr重定向到其它地方（當然deamon程序還需要做很多其它處理）。

先拋出兩個問題(后面有答案)：

• 當非前端進程組里面的進程（后臺進程）往tty設備上寫數據時，會發生什么？會輸出到outpu上嗎？

• 當非前端進程組里面的進程（后臺進程）從tty設備上讀數據時，會發生什么？進程會阻塞嗎？

TTY是如何被創建的

下面介紹幾種常見的情況下tty設備是如何創建的，以及input和output設備都是啥。

鍵盤顯示器直連（終端）

先看圖再說話：

                   +-----------------------------------------+                    |          Kernel                         |                    |                           +--------+    |       +----------------+   +----------+      |   +-------------------+   |  tty1  |<---------->| User processes |  | Keyboard |--------->|                   |   +--------+    |       +----------------+  +----------+      |   | Terminal Emulator |<->|  tty2  |<---------->| User processes |  | Monitor  |<---------|                   |   +--------+    |       +----------------+  +----------+      |   +-------------------+   |  tty3  |<---------->| User processes |                    |                           +--------+    |       +----------------+                    |                                         |                    +-----------------------------------------+

鍵盤、顯示器都和內核中的終端模擬器相連，由模擬器決定創建多少tty，比如你在鍵盤上輸入ctrl+alt+F1時，模擬器首先捕獲到該輸入，然后激活tty1，這樣鍵盤的輸入會轉發到tty1，而tty1的輸出會轉發到顯示器，同理用輸入ctrl+alt+F2，就會切換到tty2。

當模擬器激活tty時如果發現沒有進程與之關聯，意味著這是第一次打開該tty，于是會啟動配置好的進程并和該tty綁定，一般該進程就是負責login的進程。

當切換到tty2后，tty1里面的輸出會輸出到哪里呢？tty1的輸出還是會輸出給模擬器，模擬器里會有每個tty的緩存，不過由于模擬器的緩存空間有限，所以下次切回tty1的時候，只能看到最新的輸出，以前的輸出已經不在了。

不確定這里的終端模擬器對應內核中具體的哪個模塊，但肯定有這么個東西存在

SSH遠程訪問

 +----------+       +------------+  | Keyboard |------>|            |  +----------+       |  Terminal  |  | Monitor  |<------|            |  +----------+       +------------+                           |                           |  ssh protocol                           |                           ↓                     +------------+                     |            |                     | ssh server |--------------------------+                     |            |           fork           |                     +------------+                          |                         |   ↑                               |                         |   |                               |                   write |   | read                          |                         |   |                               |                   +-----|---|-------------------+           |                   |     |   |                   |           ↓                   |     ↓   |      +-------+    |       +-------+                   |   +--------+   | pts/0 |<---------->| shell |                   |   |        |   +-------+    |       +-------+                   |   |  ptmx  |<->| pts/1 |<---------->| shell |                   |   |        |   +-------+    |       +-------+                   |   +--------+   | pts/2 |<---------->| shell |                   |                +-------+    |       +-------+                   |    Kernel                   |                   +-----------------------------+

這里的Terminal可能是任何地方的程序，比如windows上的putty，所以不討論客戶端的Terminal程序是怎么和鍵盤、顯示器交互的。由于Terminal要和ssh服務器打交道，所以肯定要實現ssh的客戶端功能。

這里將建立連接和收發數據分兩條線路解釋，為了描述簡潔，這里以sshd代替ssh服務器程序：

建立連接

• 1.Terminal請求和sshd建立連接

• 2.如果驗證通過，sshd將創建一個新的session

• 3.調用API（posix_openpt()）請求ptmx創建一個pts，創建成功后，sshd將得到和ptmx關聯的fd，并將該fd和session關聯起來。

#pty（pseudo terminal device）由兩部分構成，ptmx是master端，pts是slave端， #進程可以通過調用API請求ptmx創建一個pts，然后將會得到連接到ptmx的讀寫fd和一個新創建的pts， #ptmx在內部會維護該fd和pts的對應關系，隨后往這個fd的讀寫會被ptmx轉發到對應的pts。  #這里可以看到sshd已經打開了/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.同時sshd創建shell進程，將新創建的pts和shell綁定

收發消息

• 1.Terminal收到鍵盤的輸入，Terminal通過ssh協議將數據發往sshd

• 2.sshd收到客戶端的數據后，根據它自己管理的session，找到該客戶端對應的關聯到ptmx上的fd

• 3.往找到的fd上寫入客戶端發過來的數據

• 4.ptmx收到數據后，根據fd找到對應的pts（該對應關系由ptmx自動維護），將數據包轉發給對應的pts

• 5.pts收到數據包后，檢查綁定到自己上面的當前前端進程組，將數據包發給該進程組的leader

• 6.由于pts上只有shell，所以shell的read函數就收到了該數據包

• 7.shell對收到的數據包進行處理，然后輸出處理結果（也可能沒有輸出）

• 8.shell通過write函數將結果寫入pts

• 9.pts將結果轉發給ptmx

• 10.ptmx根據pts找到對應的fd，往該fd寫入結果

• 11.sshd收到該fd的結果后，找到對應的session，然后將結果發給對應的客戶端

鍵盤顯示器直連（圖形界面）

 +----------+       +------------+  | Keyboard |------>|            |  +----------+       |  Terminal  |--------------------------+  | Monitor  |<------|            |           fork           |  +----------+       +------------+                          |                         |   ↑                               |                         |   |                               |                   write |   | read                          |                         |   |                               |                   +-----|---|-------------------+           |                   |     |   |                   |           ↓                   |     ↓   |      +-------+    |       +-------+                   |   +--------+   | pts/0 |<---------->| shell |                   |   |        |   +-------+    |       +-------+                   |   |  ptmx  |<->| pts/1 |<---------->| shell |                   |   |        |   +-------+    |       +-------+                   |   +--------+   | pts/2 |<---------->| shell |                   |                +-------+    |       +-------+                   |    Kernel                   |                   +-----------------------------+

為了簡化起見，本篇不討論Linux下圖形界面里Terminal程序是怎么和鍵盤、顯示器交互的。

這里和上面的不同點就是，這里的Terminal不需要實現ssh客戶端，但需要把ssh服務器要干的活也干了（當然ssh通信相關的除外）。

SSH + Screen/Tmux

常用Linux的同學應該對screen和tmux不陌生，通過它們啟動的進程，就算網絡斷開了，也不會受到影響繼續執行，下次連上去時還能看到進程的所有輸出，還能繼續接著干活。

這里以tmux為例介紹其原理：

 +----------+       +------------+  | 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 |<--------------------------------------------+                     |             |                     +-------------+

系統中的ptmx只有一個，上圖中畫出來了兩個，目的是為了表明tmux服務器和sshd都用ptmx，但它們之間又互不干涉。

這種情況要稍微復雜一點，不過原理都是一樣的，前半部分和普通ssh的方式是一樣的，只是pts/0關聯的前端進程不是shell了，而是變成了tmux客戶端，所以ssh客戶端發過來的數據包都會被tmux客戶端收到，然后由tmux客戶端轉發給tmux服務器，而tmux服務器干的活和ssh的類似，也是維護一堆的session，為每個session創建一個pts，然后將tmux客戶端發過來的數據轉發給相應的pts。

由于tmux服務器只和tmux客戶端打交道，和sshd沒有關系，當終端和sshd的連接斷開時，雖然pts/0會被關閉，和它相關的shell和tmux客戶端也將被kill掉，但不會影響tmux服務器，當下次再用tmux客戶端連上tmux服務器時，看到的還是上次的內容。

TTY和PTS的區別

從上面的流程中應該可以看出來了，對用戶空間的程序來說，他們沒有區別，都是一樣的；從內核里面來看，pts的另一端連接的是ptmx，而tty的另一端連接的是內核的終端模擬器，ptmx和終端模擬器都只是負責維護會話和轉發數據包；再看看ptmx和內核終端模擬器的另一端，ptmx的另一端連接的是用戶空間的應用程序，如sshd、tmux等，而內核終端模擬器的另一端連接的是具體的硬件，如鍵盤和顯示器。

常見的TTY配置

先先來看看當前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 = <undef>; 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還可以用來修改tty的參數，用法請參考man stty

只要是有權限的程序，都可以通過Linux提供的API來修改TTY的配置，下面介紹一些常見的的配置項。

rows 51; columns 204;

這個配置一般由終端控制，當終端的窗口大小發生變化時，需要通過一定的手段修改該配置，比如ssh協議里面就有修改窗口大小的參數，sshd收到客戶端的請求后，會通過API修改tty的這個參數，然后由tty通過信號SIGWINCH通知前端程序（比如shell或者vim），前端程序收到信號后，再去讀tty的這個參數，然后就知道如何調整自己的輸出排版了。

intr = ^C

tty除了在終端和前端進程之間轉發數據之外，還支持很多控制命令，比如終端輸入了CTRL+C，那么tty不會將該輸入串轉發給前端進程，而是將它轉換成信號SIGINT發送給前端進程。這個就是用來配置控制命令對應的輸入組合的，比如我們可以配置“intr = ^E”表示用CTRL+E代替CTRL+C。

start = ^Q; stop = ^S;

這是兩個特殊的控制命令，估計經常有人會碰到，在鍵盤上不小心輸入CTRL+S后，終端沒反應了，即沒輸出，也不響應任何輸入。這是因為這個命令會告訴TTY暫停，阻塞所有讀寫操作，即不轉發任何數據，只有按了CTRL+Q后，才會繼續。這個功能應該是歷史遺留，以前終端和服務器之間沒有流量控制功能，所以有可能服務器發送數據過快，導致終端處理不過來，于是需要這樣一個命令告訴服務器不要再發了，等終端處理完了后在通知服務器繼續。

該命令現在比較常用的一個場景就是用tail -f命令監控日志文件的內容時，可以隨時按CTRL+S讓屏幕停止刷新，看完后再按CTRL+Q讓它繼續刷，如果不這樣的話，需要先CTRL+C退出，看完后在重新運行tail -f命令。

echo

在終端輸入字符的時候，之所以我們能及時看到我們輸入的字符，那是因為TTY在收到終端發過去的字符后，會先將字符原路返回一份，然后才交給前端進程處理，這樣終端就能及時的顯示輸入的字符。echo就是用來控制該功能的配置項，如果是-echo的話表示disable echo功能。

-tostop

如果你在shell中運行程序的時候，后面添加了&，比如./myapp &，這樣myapp這個進程就會在后臺運行，但如果這個進程繼續往tty上寫數據呢？這個參數就用來控制是否將輸出轉發給終端，也即結果會不會在終端顯示，這里“-tostop”表示會輸出到終端，如果配置為“tostop”的話，將不輸出到終端，并且tty會發送信號SIGTTOU給myapp，該信號的默認行為是將暫停myapp的執行。

TTY相關信號

除了上面介紹配置時提到的SIGINT，SIGTTOU，SIGWINCHU外，還有這么幾個跟TTY相關的信號

SIGTTIN

當后臺進程讀tty時，tty將發送該信號給相應的進程組，默認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呢？請參考下一篇文章中的SIGCONT。

SIGHUP

當tty的另一端掛掉的時候，比如ssh的session斷開了，于是sshd關閉了和ptmx關聯的fd，內核將會給和該tty相關的所有進程發送SIGHUP信號，進程收到該信號后的默認行為是退出進程。

SIGTSTP

終端輸入CTRL+Z時，tty收到后就會發送SIGTSTP給前端進程組，其默認行為是將前端進程組放到后端，并且暫停進程組里所有進程的執行。

跟tty相關的信號都是可以捕獲的，可以修改它的默認行為

結束語

本文介紹了常見的tty功能和特點，下一篇中將詳細介紹和tty密切相關的進程session id，進程組，job，后臺程序等，敬請期待。