终端，虚拟终端，终端模拟器，伪终端，Shell

NOTE

裸机：ENIAC

在硬件上构建计算流程

在氖灯或电压表体现输出

批处理操作系统 (1950s)：程序逻辑脱离硬件，可存放在内存中

程序员在纸卡上打孔编写程序，准备祭品

一摞纸卡组成作业，程序员作业将交给操作员

操作员进行作业管理，选择作业并放入读卡器

计算机按顺序读取纸卡上的程序

计算机执行程序，在打印纸里降下神谕

程序员取出运行结果/报错信息，获得圣旨

分时操作系统 (1960s - )：主机支持多任务，因此可以和用户实时交互

主机同时连接多台终端，用户使用终端与主机交互

主机轮流服务多台终端，用户有独占机器的错觉

终端 ≈ 键盘 + 输出设备，所有终端都包装了键盘用于输入

电传打字机 (Teletype, tty) 在打印纸上体现输出

视频终端 (Video Terminal) 在屏幕上体现输出，屏幕支持闪烁光标、彩色输出 (1970s, Unix 诞生)

程序 (如 bash, top, vim) 的输出不应依赖多样的终端类型，因此需要抽象出统一接口，虚拟终端 (今天的 tty) 孕育而生，它在软件上模拟视频终端

启动#

你在引导启动搭载 Linux 内核的计算机时，启动参数 console=... 会具体指定控制台 /dev/console (系统级别的，直达内核，属于机房操作员的面板)，默认是当前活动的虚拟终端 (tty0)，也可指定串口 (如 ttyS0)，它承载了内核所有 printk() 的输出信息 (如开屏的一串启动信息，刷屏后才进入登录界面)。

内核的虚拟终端子系统 (VT subsystem) 为你准备了多台虚拟终端 (字符设备 /dev/tty1, /dev/tty2, …, /dev/tty6)，在启动时 systemd 为它们运行 agetty 进程 (ubuntu login:)。得益于 VT 子系统的多路复用功能，个人计算机的这些 tty 承载着同一套键盘和显示器，使用 [Ctrl + Alt + Fx] 切换 tty。

TIP
打开文件 /etc/systemd/logind.conf 并将选项 NAutoVTs=6 设置为你希望在启动时拥有的虚拟终端数量。

TIP
想要用两套显示器 (显卡)、键盘，可以使用 Multiseat 功能：用户通过 loginctl 为特定设备绑定到特定 seat 上，系统会为每个 seat 对应的 tty 启动独立的显示管理器 (X / Wayland)。两套物理外设就像两台独立的电脑，各自有登录界面和会话，各自可以使用 [Ctrl + Alt + Fx] 切换 tty，彼此完全隔离。

登录#

当你在 tty2 上键入用户名时，依次按下 Box[Backspace]b[Enter]：

PS/2 (AT) 键盘产生硬件中断
系统的 USB 驱动程序 atkbd 进行中断处理，将中断转成标准的输入事件 (比如 KEY_SHIFT + KEY_B，还可以用于封装鼠标、触控屏、游戏手柄的事件)
include/linux/input.h
```
1
struct input_value {
2
  __u16 type; // type of value (EV_KEY, EV_ABS, etc)
3
  __u16 code;
4
  __s32 value;
5
};
```
递交至 输入子系统 (Input Subsystem) 的核心

输入子系统完成了对输入 handler 及其感兴趣的输入设备的抽象

1
struct input_dev {
2
  const char *name;
3
  const char *phys;
4
  const char *uniq;
5
  struct input_id id;
6
  ...
7
};
8

9
struct input_handler {
10
  void *private;
11
  void (*event)(struct input_handle *handle, unsigned int type, unsigned int code, int value);
12
  unsigned int (*events)(struct input_handle *handle, struct input_value *vals, unsigned int count);
13
  bool (*filter)(struct input_handle *handle, unsigned int type, unsigned int code, int value);
14
  bool (*match)(struct input_handler *handler, struct input_dev *dev);
15
  int (*connect)(struct input_handler *handler, struct input_dev *dev, const struct input_device_id *id);
16
  void (*disconnect)(struct input_handle *handle);
17
  void (*start)(struct input_handle *handle);
18
  bool passive_observer;
19
  bool legacy_minors;
20
  int minor;
21
  const char *name;
22
  const struct input_device_id *id_table;
23
  struct list_head        h_list;
24
  struct list_head        node;
25
};

输入子系统核心收到驱动的 input_event 后，分发给所有注册过且对该设备类型感兴趣的 input_handler。

常见的 input_handler 有：
- evdev_handler：通用用户态接口。任何用户态程序 (Xorg、Wayland、evtest) 都可以用标准文件操作对 /dev/input/eventN 直接读取原始的 input_event 流 (保存在内核的 buffer)，是图形桌面、触摸屏手势、游戏手柄的标准通道
- kbd_handler (当前场景)：虚拟终端键盘。专门把键盘事件递交给 虚拟终端子系统 (VT subsystem)。当图形服务器通过 evdev 独占键盘时，kbd_handler 会被抑制。

VT 子系统

数据结构：终端颜色、键盘布局 (keymap)、光标位置等
屏幕绘制：按照编译在内核里的字体位图，将字符图形绘至帧缓冲设备(fbcon 模式) 或显存 (VGA 文本模式)
多路复用：活动控制台的选择受用户的 [Ctrl + Alt + Fx] 控制，通过设备文件 /dev/ttyN 向用户态暴露

1
struct vc_font {
2
  unsigned int width;
3
  unsigned int height;
4
  unsigned int charcount;
5
  const unsigned char *data;
6
};
7

8
unsigned int vc_font_pitch(const struct vc_font *font);
9
unsigned int vc_font_size(const struct vc_font *font);
10

11
struct vc_data {
12
  struct tty_port port;   /* Upper level data */
13

14
  struct vc_state state, saved_state;
15

16
  unsigned short vc_num;   /* Console number */
17
  unsigned int vc_cols;  /* [#] Console size */
18
  unsigned int vc_rows;
19
  unsigned int vc_size_row;  /* Bytes per row */
20
  unsigned int vc_scan_lines;  /* # of scan lines */
21
  unsigned int vc_cell_height;  /* CRTC character cell height */
22
  unsigned long vc_origin;  /* [!] Start of real screen */
23
  unsigned long vc_scr_end;  /* [!] End of real screen */
24
  unsigned long vc_visible_origin; /* [!] Top of visible window */
25
  unsigned int vc_top, vc_bottom; /* Scrolling region */
26
  const struct consw *vc_sw;
27
  unsigned short *vc_screenbuf;  /* In-memory character/attribute buffer */
28
  unsigned int vc_screenbuf_size;
29
  unsigned char vc_mode;  /* KD_TEXT, ... */
30
  /* cursor */
31
  unsigned int vc_cursor_type;
32
  unsigned long vc_pos;   /* Cursor address */
33
  /* fonts */
34
  unsigned short vc_hi_font_mask; /* [#] Attribute set for upper 256 chars of font or 0 if not supported */
35
  struct vc_font vc_font;   /* Current VC font set */
36
  ...
37
  struct vt_mode vt_mode;
38
  struct pid  *vt_pid;
39
  int  vt_newvt;
40
  wait_queue_head_t paste_wait;
41
  /* mode flags */
42
  ...
43
};
44

45
struct vc {
46
  struct vc_data *d;
47
  struct work_struct SAK_work;
48

49
  /* might add  scrmem, kbd  at some time,
50
    to have everything in one place */
51
};

接收来自 kbd_handler 的 input_event，根据当前 keymap 将 input_value 转换为 char ([Shift + B] 转成字符 B)，然后注入到该控制台对应的 tty 输入队列 (struct tty_port port;) ，进入 TTY 子系统 (TTY Subsystem)

TTY 子系统

浅析 TTY Subsystem

TTY 设备 (TTY Device) 是三元组，对外以 /dev/ttyN 呈现：

底层硬件驱动（在物理串口上是 UART 驱动，在虚拟终端上是 VT）
线路规程 (Line Discipline)：一段代码，提供行编辑功能
TTY 驱动 (TTY Driver)：一段代码，提供会话管理

1
struct tty_struct {
2
  struct kref kref;
3
  int index;
4
  struct device *dev;
5
  struct tty_driver *driver;
6
  struct tty_port *port;
7
  const struct tty_operations *ops;
8

9
  struct tty_ldisc *ldisc;
10
  struct ld_semaphore ldisc_sem;
11

12
  struct ktermios termios, termios_locked;
13
  char name[64];
14
  unsigned long flags;
15
  int count;
16
  unsigned int receive_room;
17
  struct winsize winsize;
18

19
  struct {
20
    spinlock_t lock;
21
    bool stopped;
22
    bool tco_stopped;
23
  } flow;
24

25
  struct {
26
    struct pid *pgrp;
27
    struct pid *session;
28
    spinlock_t lock;
29
    unsigned char pktstatus;
30
    bool packet;
31
  } ctrl;
32

33
  struct tty_struct *link;
34
  struct fasync_struct *fasync;
35
  wait_queue_head_t write_wait;
36
  wait_queue_head_t read_wait;
37
  struct work_struct hangup_work;
38
  void *disc_data;
39
  void *driver_data;
40
  spinlock_t files_lock;
41
  int write_cnt;
42
  u8 *write_buf;
43

44
  struct list_head tty_files;
45
  struct work_struct SAK_work;
46

47
  ...
48
};
49

50
/* include/linux/tty_buffer.h */
51
struct tty_bufhead {
52
  struct tty_buffer *head; /* Queue head */
53
  struct workqueue_struct *flip_wq;
54
  struct work_struct work;
55
  struct mutex lock;
56
  atomic_t priority;
57
  struct tty_buffer sentinel;
58
  struct llist_head free; /* Free queue head */
59
  atomic_t mem_used; /* In-use buffers excluding free list */
60
  int mem_limit;
61
  struct tty_buffer *tail; /* Active buffer */
62
};
63

64
struct tty_buffer {
65
  union {
66
    struct tty_buffer *next;
67
    struct llist_node free;
68
  };
69
  unsigned int used;
70
  unsigned int size;
71
  unsigned int commit;
72
  unsigned int lookahead; /* Lazy update on recv, can become less than "read" */
73
  unsigned int read;
74
  bool flags;
75
  /* Data points here */
76
  u8 data[] __aligned(sizeof(unsigned long));
77
};
78

79
/* drivers/tty/n_tty.c */
80
struct n_tty_data {
81
  /* producer-published */
82
  size_t read_head;
83
  size_t commit_head;
84
  size_t canon_head;
85
  size_t echo_head;
86
  size_t echo_commit;
87
  size_t echo_mark;
88
  DECLARE_BITMAP(char_map, 256);
89

90
  /* shared by producer and consumer */
91
  u8 read_buf[N_TTY_BUF_SIZE];
92
  DECLARE_BITMAP(read_flags, N_TTY_BUF_SIZE);
93
  u8 echo_buf[N_TTY_BUF_SIZE];
94

95
  /* consumer-published */
96
  size_t read_tail;
97
  size_t line_start;
98

99
  ...
100
};

数据结构：终端号 (index)，前台进程组 (ctrl.pgrp)，会话 ctrl.session，线路规程 (ldisc)，TTY 驱动 (driver) 等

线路规程 (line discipline)：默认值为 N_TTY，工作在缓冲模式。进程可以通过 termios 接口切换模式

缓冲模式 (N_TTY，当前场景)：

回显：每收到一个字符，就写回输出队列，VT 层随后将其绘至屏幕
行缓冲：字符暂存至 n_tty_data.read_buf，直至遇到 \n 或 EOF，才将 buffer 里面的字符串交到前台进程组

特殊处理 (使用 stty -a 打印当前终端设置)：

字符	行为
`^H` (`[Backspace]`)	删除 `read_buf` 末尾字符
`^U` (`[Ctrl + U]`)	清空 `read_buf`
`^C` (`[Ctrl + C]`)	由 TTY Driver 向前台进程组发出 `SIGINT`，终止进程
`^\` (`[Ctrl + \]`)	由 TTY Driver 向前台进程组发出 `SIGQUIT`，强制终止进程，并生成 core dump 文件用于调试
`^Z` (`[Ctrl + Z]`)	由 TTY Driver 向前台进程组发出 `SIGTSTP`，挂起 (suspend) 进程至后台

非缓冲模式 (N_RAW，raw mode)：字符逐个交付，不做行编辑和信号映射，vim、top 等全屏程序均使用此模式

会话管理与作业控制：由 TTY Driver 负责，通过进程的系统调用被动触发
- 每个 tty 都作为 控制终端 去关联一个 会话 (session) (以 sid 标识)，会话由一个前台进程组 (foreground) 和若干后台进程组 (background) 组成，仅有一个特殊进程作为 会话首进程 (session leader) (一般是 setsid() 创建这个 session 的进程，调用后脱离原有的控制终端，留下孤儿进程组)，每个新进程的 sid 与父进程相同
- 用户往往同时有多个进程，这些进程的 stdin/stdout/stderr 都对准了同一个终端 (tty/pty)，但用户一次只能与其中一个交互
- 系统调用 tcsetpgrp() 指定某个进程作为新的前台进程，并且记录在 tty_struct.ctrl.pgrp，调用 waitpid() 等待其结束或停止。而用户也可以通过 Shell 执行 fg 将进程组调回前台。这种轮流上台的机制就是 作业控制 (Job Control)
  - 键盘输入只被送往前台进程组
  - 线路规程收到 ^C / ^Z 时，向前台发送 SIGINT / SIGTSTP (比如 kill_pgrp(tty->ctrl->pgrp, signal))
  - 后台进程试图从终端读取数据：被 SIGTTIN 挂起，直至 fg
  - 后台进程试图向终端写入数据：系统默许，除非配置终端 stty tostop，后台写操作被 SIGTTOU 挂起以避免多进程输出串扰
- 如果控制终端的连接断开 (关闭终端模拟器窗口、拔掉串口、SSH 断连)，内核会向该终端的会话首进程 (通常是 shell) 发送 SIGHUP，会话首进程在退出前向自己的子进程组广播 SIGHUP，从而清理会话

1
物理键盘
2
  │
3
  │  硬件中断
4
  ▼
5
USB/AT 驱动  →  input 子系统核心
6
  │
7
  │  kbd_handler 收到 KEY_B (值 48)
8
  ▼
9
VT 子系统 ─ 根据 keymap（如 us），Shift+B → 'B', Backspace → '^H'
10
  │
11
  │  将字符 'B' 加入 tty1 的输入队列
12
  ▼
13
tty 子系统 ─ 线路规程
14
  │
15
  ├→ 回显：输出 'B' 到 tty1 输出队列 → VT 绘制到屏幕
16
  ├→ 缓冲：'B' 暂存至行缓冲区
17
  │
18
  │  用户继续输入 'o','x', '^H', 'b'
19
  │  回车时，行缓冲完整提交 "Bob\n"
20
  ▼
21
/bin/login (前台进程) 的 read() 返回，获得字符串 "Bob\n"

认证完成后，/bin/login 将使用的终端 (当前场景是 /dev/tty2) 的所有者改为你登录的用户，并启动用户指定的 shell 程序。此后你和你的 shell 可以直接使用 stty 配置当前终端 tty2，不影响其他终端。

图形桌面#

在现代主流 Linux 发行版 (如 Fedora，Ubuntu，Arch) 中，图形登录界面替代了黑底白字的文本提示，默认将图形界面放在 tty1 上。

显示管理器 (DM) 调用 systemd-logind 的接口，获得空闲的 VT，且通常为 tty1。getty@tty1.service 会因为与 gdm/ssdm.service 冲突而被显式停止或屏蔽。只有在 DM 崩溃退出时，systemd 才会重新激活 tty1 的 agetty 作为应急后备。

DM 启动 显示服务器 (Xorg/Wayland Compositor)，并通过启动参数让它接管与 tty1 关联的输入设备和显卡，然后通过 ioctl 调用 KD_GRAPHICS 模式，将 tty1 从文本模式切换到图形模式，绘制图形登录界面，等待用户认证。

NOTE
此时，tty1 的文本帧缓冲被完全废弃，内核不再往该 tty1 写入字符，所有渲染交由显卡的 DRM 平面处理，所有键盘事件转由 evdev_handler 处理。进程直接从 /dev/input/eventN 读取输入事件，kbd_handler 被抑制，从而绕过 VT 子系统。

认证完毕后，DM 启动用户选择的 桌面环境 (如 KDE Plasma、GNOME 等)。

终端模拟器#

在桌面环境中，用户可以使用 终端模拟器 (Terminal Emulator) (Terminal、Konsole、Xterm、iTerm2 等)，它们旨在图形桌面环境下，作为图形应用模拟虚拟终端环境 (而不必为了终端环境进入其他 tty)。

终端模拟器在启动后，通过 openpty() 打开 /dev/ptmx 向内核申请 伪终端 (Pseudo Terminal, pty) 对：

master 端 (ptm)：由终端模拟器持有，作为在进入线路规程前的输入统一抽象
slave 端 (pts)：对应设备文件 /dev/pts/N，模拟 TTY 设备

然后 fork 出子进程，让子进程的 stdin/stdout/stderr 对准 /dev/pts/N 之后再 exec("/bin/bash")，bash 从 stdout 输出

1
[Bob@laptop ~]$

NOTE
此时 bash 有处在 tty 环境的错觉，执行 tty 后返回 /dev/pts/N。

现在键入 "python\n"，与 tty 环境区别：

1
键盘事件 (中断) → Input Subsystem (KEY_P) → Wayland/X11 服务器 (KEY_P) → 终端模拟器(字符 p) → ptm (字符 p) → [line discipline → pts] → /bin/bash

bash 解析 "python\n"，发现你要运行 python3，便 fork + exec 出 Python 进程。Python 进程继承了 bash 的文件描述符，因此 stdin/stdout/stderr 也对准 /dev/pts/N。

Python 进程通过 stdout 把 >>> 输出在 /dev/pts/N 上，显示在终端模拟器窗口里

1
python3 → pts → ptm → 终端模拟器 → Wayland/X11 服务器 → 屏幕

当你按下 [Ctrl + C]，线路规程向前台 Python 进程发送 SIGINT，Python 收到后停止执行并输出 KeyboardInterrupt。

SSH#

服务器的 sshd 充当终端模拟器的角色持有 ptm，子进程持有 pts 负责与 shell 交互。这时原本用于屏幕绘制的 VT 子系统变成网络 I/O，传回客户端 ssh。

1
客户端键盘 → Input Subsystem → Wayland/X11 服务器 → 终端模拟器 → 网络 → sshd → ptm → [line discipline → pts] → python3
2

3
python3 → pts → ptm → sshd → 网络 → 终端模拟器 → Wayland/X11 服务器 → 客户端屏幕