Yang's Kernel

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TTY,PTY,Terminal,Shell都是啥?

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提问

以下四个快捷键中,哪些是由PTY实现的,哪些是由Shell实现的?

  • Ctrl-E
  • Ctrl-W
  • Ctrl-B
  • ↑(上一个命令)

TTY,PTY,Terminal,Shell都是啥?

我们经常使用的”黑框”有很多关联的名词,比如:

  • Terminal（终端）
  • Console
  • TTY
  • PTY
  • Shell

这些都是指我们使用的那个”黑框”吗?

历史溯源

要理解这些名词概念,必须要先回首历史.
其实早在计算机出现之前,就有了类似的输入设备,就是电报机.
休斯印刷电报机就是一个纯机械设备.起源1855年.

1901年,出现了电传打字机.Teletype, 也就是TTY.使用的QWERTY键盘,也是现代键盘键位的起源.

到了Unix时代(1970),电传打字机作为计算机的主要输入设备.
这里需要补充下，早期并没有“个人”电脑，计算机是稀缺资源，是共用的，使用者需要用一个设备接入计算机。这个设备位于整个系统的边缘，所以叫终端-Terminal。
图中Ken Thompson大佬正在操作的就是TTY.而机柜上的按钮窗口就是console,也是输入设备之一.不过当时输入输出还是显示在纸上.

随后不久就出现了电子显示器,比较有名的就是VT100.是第一个支持ANSI字符集的终端.是的,终端这个词用来表述这种电子显示器+键盘的组合设备比较合适.我个人理解TTY也是一种终端,终端是一个概念,不像TTY是一种具体设备.

截止到VT100时代，终端还是只是一个“无脑”的输入输出设备。终端和计算机还是物理上完全分离的结构，两者之间通信链路如下:

图中左侧Hardware部分可以理解为VT100设备，其与计算机之间使用UART通信。
Line discipline是行规程序，负责缓存字符、回显、擦除、信号翻译等工作。
TTY driver 负责跟踪前台用户进程组id，行列显示参数，发送某些信号等工作，我们运行ls命令，其实也是由TTY driver执行的。
个人感觉这些工作完全没必要让内核处理，但考虑当时的时代背景，unix是宏内核，TTY这些功能又是每个计算机必备的，所以放入内核中也很合适。

随后来到个人电脑时代，比较有代表性的就是IBM 3277 Model 2，1971年发布。

图中的设备不再是简单的输入输出设备了，而是一台完整的计算机，终端和计算机合二为一，也是我们大多数人一开始接触硬件模型。

既然两者合二为一了，那么原来终端的少量的软件功能也被计算机（内核）兼并了。虽然硬件层面终端和计算机是一体的，但软件层面还是有终端的概念的，下图中终端的软件功能是由操作系统内核模拟的。对比VT100，终端只剩下了键盘和显示器。

又过了10来年，我们来到了伟大的GUI时代。这时代的代表作就是X window system和苹果第一台个人电脑Macintosh 128K。

带有图形界面的电脑开机后，显示器不再被“黑框”霸占，而是显示友好的“窗口界面“。
那么如何在图形窗口之上使用之前的终端呢？
答案是图形终端模拟器， 为什么是“模拟器”呢？其实和内核模拟的tty一样，没有真实的“终端”硬件设备，我们所打开的“黑框”窗口是由软件模拟出来的终端，所以叫模拟器。

此时的软件架构又有所不同了，以xterm为例，xterm是用户级进程，也就是我们在图形界面打开的“黑框”，内核提供了PTY Master和PTY Slave这样一对接口，数据流在两者之间来回传送，其封装了传统终端的功能，让xterm专注于实现GUI部分。

随着网络的发展，我们可以在一台计算机上利用ssh登录到另一台远端机器上。数据流转更加复杂了。
首先客户端需要用xterm模拟一个本地终端，本地PYT-Slave使用bash运行ssh和远端ssh server建立连接。
远端ssh server也需要打开一对PTY设备，使用PTY-Slave执行client发送过来的命令。

至此我们看到，TTY指的是具体设备：电传打字机，是硬件。
PTY指的是虚拟电传打字机，是软件。
Terminal在不同时期所指的是不同的目标，早期指的是TTY，后来指的是PTY，所以Terminal并没有准确定义。
Console早起指的是大型计算机的控制面板，而现代和Terminal的含义是一样的。

Shell又是什么?

其实从前述的图中可以看出，shell仅仅是一个普通的用户级程序，用于解析执行用户输入的命令。
比如我们常用的bash，就静静地躺在/bin目录下。

一个普通的程序，为什么被称为Shell呢？来看看下面这张图。

最内层是操作系统内核，其管理着计算机各种硬件资源，操作系统提供一些列的系统调用供用户空间程序调用。
我们想方便地指挥操作系统，不能每次都使用编程调用系统调用的方式，这样太麻烦。所以就需要有一类程序，提供更人性化的方式让我们跟计算机交互，这类程序其中之一就是shell，让我们可以输入各种指令去操作计算机。
这类程序就像操作系统内核外面的一层“壳”一样。所以被统称为Shell。

总结

现在再来看看题目中这几个名词，其意义就比价清晰了。

  • Terminal 早期指的是用户侧的输入输出设备，现代计算机已经没有这种独立设备，更多指的是图形界面下的终端模拟器。
  • Console 早期指的是计算机的物理操作面板。现代计算机已经没有这个面板，更多指的是图形界面下的终端模拟器。
  • TTY 早期指的是电传打字机。现代已经消失，更多指的是内核中的TTY Driver。
  • PTY 对内核来说，指的是内核提供的终端接口。对应用户来说更多指的是图形界面下的终端模拟器。
  • Shell 指的是一种特殊的应用程序，给人类和计算机之间架起一座友好沟通的桥梁。当然这个桥梁不止Shell一种，我们现在每天使用的图形窗口界面对普通用户来说更友好。

参考