终端仿真器
早期的终端
早期的终端一般是一种叫做 电传打字机 (Teletype) 的设备。为啥呢？因为 Unix 的创始人 Ken Thompson 和 Dennis Ritchie 想让 Unix 成为一个多用户系统。多用户系统就意味着要给每个用户配置一个终端，每个用户都要有一个显示器、一个键盘。但当时所有的计算机设备都非常昂贵（包括显示器），而且键盘和主机是集成在一起的，根本没有独立的键盘。
后来他们机智地找到了一样东西，那就是 ASR-33 电传打字机。虽然电传打字机原本的用途是在电报线路上收发电报，类似如下：
+----------+ Physical Line +----------+
| teletype |<--------------------->| teletype |
+----------+ +----------+
但是它既有可以发送信号的键盘，又能把接收到的信号打印在纸带上，完全可以作为人机交互设备使用。
而且最重要的是，价格低廉。
于是，他们把很多台 ASR-33 连接到计算机上，让每个用户都可以在终端登录并操作主机。就这样，他们创造了计算机历史上第一个真正的多用户操作系统 Unix，而电传打字机就成为了第一个 Unix 终端。
终端模拟器
随着计算机的进化，我们已经见不到专门的终端硬件了，取而代之的则是键盘与显示器。
但是没有了终端，我们要怎么与那些传统的、不兼容图形接口的命令行程序（比如说 GNU 工具集里的大部分命令）交互呢？这些程序并不能直接读取我们的键盘输入，也没办法把计算结果显示在我们的显示器上。
这时候我们就需要一个程序来模拟传统终端的行为，即 终端模拟器 (Terminal Emulator)。
+----------+ +-------------------+
| Keyboard | -----> | | +-------+
+----------+ | Terninal Emulator | <----> | Shell |
| Monitor | <----- | | +-------+
+----------+ +-------------------+
对于 Shell，终端模拟器会「假装」成一个传统终端设备；而对于现代的图形接口，终端模拟器会「假装」成一个 GUI 程序。一个终端模拟器的标准工作流程是这样的：
- 捕获你的键盘输入；
- 将输入发送给 Shell（Shell 会认为这是从一个真正的终端设备输入的）；
- 拿到命 Shell 的输出结果；
- 调用图形接口（比如 X11），将输出结果渲染至显示器。
终端模拟器有很多，这里就举几个经典的例子：
- GNU/Linux：gnome-terminal、Konsole；
- macOS：Terminal.app、iTerm2；
- Windows：Win32 控制台 、ConEmu 等。
▲终端模拟器：Hyper 与 wsl-terminal
现在，专门的终端硬件已经基本上仅存于计算机博物馆，人们通常图省事儿，直接称呼终端模拟器为「终端」。
终端窗口 vs 虚拟控制台
大部分终端模拟器都是在图形用户界面 (GUI) 中运行的，但是也有例外。
比如在 GNU/Linux 操作系统中，按下 Ctrl + Alt + F1,F2…F6 等组合键可以切换出一个黑不溜秋的全屏终端界面，不过不要被它们唬着了，虽然它们并不运行在图形界面中，但其实它们也是终端模拟器的一种。
▲ 一个正在显示系统启动信息的虚拟控制台
这些全屏的终端界面与那些运行在 GUI 下的终端模拟器的唯一区别就是它们是 由操作系统内核直接提供的。这些由内核直接提供的终端界面被叫做 虚拟控制台 (Virtual Console)，而上面提到的那些运行在图形界面上的终端模拟器则被叫做 终端窗口 (Terminal Window)。除此之外并没有什么差别。
当然了，因为终端窗口是跑在图形界面上的，所以如果图形界面宕掉了那它们也就跟着完蛋了。这时候你至少还可以切换到 Virtual Console 去救火，因为它们由内核直接提供，只要系统本身不出问题一般都可用。
什么是 shell
shell 是一个程序，它接受从键盘输入的命令，然后把命令传递给操作系统去执行。
+----------+ +-------------------+
| Keyboard | -----> | | +-------+ +----+
+----------+ | Terninal Emulator | <----> | Shell | -----> | OS |
| Monitor | <----- | | +-------+ +----+
+----------+ +-------------------+
什么是 TTY
最早的 Unix 终端是 ASR-33 电传打字机。而电传打字机 (Teletype/Teletypewriter) 的英文缩写就是 tty，即 tty 这个名称的来源。
由于 Unix 被设计为一个多用户操作系统，所以人们会在计算机上连接多个终端（在当时，这些终端全都是电传打字机）。Unix 系统为了支持这些电传打字机，就设计了名为 tty 的子系统（没错，因为当时的终端全都是 tty，所以这个系统也被命名为了 tty，就是这么简单粗暴），将具体的硬件设备抽象为操作系统内部位于 /dev/tty* 的设备文件。
▲ 还记得上面我们说过的特殊的终端，也就是通过 Ctrl + Alt + F1-6 呼出的那些虚拟控制台 (Virtual Console) 吗？其对应的就是上图中的 tty1 到 tty6。
随着计算机的发展，终端设备已经不再限制于电传打字机，但是 tty 这个名称还是就这么留了下来。久而久之，它们的概念就混淆在了一起。所以在现代，tty 设备就是终端设备，终端设备就是 tty 设备，无需区分。
+----------------+
| TTY Driver |
| |
| +-------+ | +----------------+
+------------+ | | |<---------->| User process A |
| Terminal A |<--------->| ttyS0 | | +----------------+
+------------+ | | |<---------->| User process B |
| +-------+ | +----------------+
| |
| +-------+ | +----------------+
+------------+ | | |<---------->| User process C |
| Terminal B |<--------->| ttyS1 | | +----------------+
+------------+ | | |<---------->| User process D |
| +-------+ | +----------------+
| |
+----------------+
由于早期计算机上的 串行端口 (Serial Port) 最大的用途就是连接终端设备，所以当时的 Unix 会把串口上的设备也同样抽象为 tty 设备（位于
/dev/ttyS*）。因此，现在人们也经常将串口设备称呼为 tty 设备。
内核 TTY 子系统
+-----------------------------------------------+
| Kernel |
| +--------+ |
| +--------+ +------------+ | | | +----------------+
| | UART | | Line | | TTY |<---------->| User process A |
<------>| |<->| |<->| | | +----------------+
| | driver | | discipline | | driver |<---------->| User process B |
| +--------+ +------------+ | | | +----------------+
| +--------+ |
| |
+-----------------------------------------------+
- UART driver对接外面的UART设备
- Line discipline主要是对输入和输出做一些处理，可以理解它是TTY driver的一部分
- TTY driver用来处理各种终端设备
- 用户空间的进程通过TTY driver来和终端打交道
什么是 pts
liyongjun@Box:~$ tty
/dev/pts/0
liyongjun@Box:~$ lsof /dev/pts/0
COMMAND PID USER FD TYPE DEVICE SIZE/OFF NODE NAME
bash 2206 liyongjun 0u CHR 136,0 0t0 3 /dev/pts/0
bash 2206 liyongjun 1u CHR 136,0 0t0 3 /dev/pts/0
bash 2206 liyongjun 2u CHR 136,0 0t0 3 /dev/pts/0
bash 2206 liyongjun 255u CHR 136,0 0t0 3 /dev/pts/0
lsof 40676 liyongjun 0u CHR 136,0 0t0 3 /dev/pts/0
lsof 40676 liyongjun 1u CHR 136,0 0t0 3 /dev/pts/0
lsof 40676 liyongjun 2u CHR 136,0 0t0 3 /dev/pts/0
liyongjun@Box:~$ echo 666 > /dev/pts/0
666
pts 也是 tty 设备。
通过上面的 lsof 可以看出，当前运行的 bash 和 lsof 进程的 stdin(0u)、stdout(1u)、stderr(2u) 都绑定到了这个TTY 上。
下面是 tty 和进程以及 I/O 设备交互的结构图：
Input +--------------------------+ R/W +------+
----------->| |<---------->| bash |
| pts/0 | +------+
<-----------| |<---------->| lsof |
Output | Foreground process group | R/W +------+
+--------------------------+
- 可以把 tty 理解成一个管道（pipe），在一端写的内容可以从另一端读取出来，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/0 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
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 可以是任何地方的程序，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
liyongjun@Box:~$ sudo lsof /dev/ptmx
COMMAND PID USER FD TYPE DEVICE SIZE/OFF NODE NAME
sshd 41185 liyongjun 10u CHR 5,2 0t0 88 /dev/ptmx
sshd 41185 liyongjun 12u CHR 5,2 0t0 88 /dev/ptmx
sshd 41185 liyongjun 13u CHR 5,2 0t0 88 /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）。
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。
TTY相关信号
除了上面介绍配置时提到的 SIGINT，SIGTTOU，SIGWINCHU 外，还有这么几个跟 TTY 相关的信号
SIGTTIN
当后台进程读 tty 时，tty 将发送该信号给相应的进程组，默认行为是暂停进程组中进程的执行。暂停的进程如何继续执行呢？请参考下一篇文章中的 SIGCONT。
SIGHUP
当 tty 的另一端挂掉的时候，比如 ssh 的 session 断开了，于是 sshd 关闭了和 ptmx 关联的 fd，内核将会给和该tty 相关的所有进程发送 SIGHUP 信号，进程收到该信号后的默认行为是退出进程。
SIGTSTP
终端输入 CTRL+Z 时，tty 收到后就会发送 SIGTSTP 给前端进程组，其默认行为是将前端进程组放到后端，并且暂停进程组里所有进程的执行。
跟 tty 相关的信号都是可以捕获的，可以修改它的默认行为
参考
命令行界面 (CLI)、终端 (Terminal)、Shell、TTY，傻傻分不清楚？
Linux TTY/PTS概述 - SegmentFault 思否
《快乐的Linux命令行》—— 什么是 shell