《unix高级环境编程》终端 I/O——终端 IO 基本概述

叁歲伎倆 2022-08-14 01:58 222阅读 0赞

### 终端基本概念 ###

终端 IO 是一种字符型设备，终端特殊设备文件一般有以下几种：

1.  **串行端口终端**：是使用计算机串行端口连接的设备，计算机把每个串行端口都看作是一个字符设备。串行端口所对应的设备名称 /dev/ttySn（n表示从0开始的整数）；
2.  **伪终端**：是成对的逻辑终端设备，例如 /dev/ptyp3 和/ dev/ttyp3（在设备文件系统中分别是 /dev/pty/m3 和/ dev/pty/s3 ）,它们与实际物理设备并不直接相关；
3.  **控制终端**：是当前进程的控制终端的设备特殊文件 /dev/tty。可以使用命令”ps –ax”来查看进程与哪个控制终端相连使用命令”tty”可以查看它具体对应哪个实际终端设备。/dev/tty有些类似于到实际所使用终端设备的一个联接；
4.  **控制台终端**：计算机显示器通常被称为控制台终端（Console），它仿真了类型为Linux的一种终端（TERM=Linux），并且有一些设备特殊文件与之相关联：tty0、tty1、tty2等；

终端 IO 有两种不同的工作模式：

1.  **规范模式输入处理**：在这种模式下，终端输入以行为单位进行处理，对于每个读要求，终端驱动程序最多返回一行；
2.  **非规范模式输入处理**：输入字符不以行为单位进行处理；

终端设备是由一般位于内核中的终端驱动程序控制，每个终端设备有一个输入队列和一个输出队列，如下图所示：

![Center][]

大多数 UNIX 系统在一个称为终端行规程的模块中进行规范处理。它位于内核通用读、写函数和实际设备驱动程序之间的模块，如下图所示：

![Center 1][]

操作终端的结构定义如下：

/* 终端IO */
    
    /* 终端IO的数据结构 */
    #include <termios.h>
    struct termios
    {
        tcflag_t    c_iflag;    /* input flag */
        tcflag_t    c_oflag;    /* output flag */
        tcflag_t    c_cflag;    /* control flag */
        tcflag_t    c_lflag;    /* local flag */
        cc_t        c_cc[NCCS]; /* control characters */
    };

该数据结构的输入标志由终端设备驱动程序用来控制字符的输入（剥除输入字节的第8位，允许输入奇偶校验等）；输出标志则控制终端设备驱动的输出（执行输出处理、将换行符映射为 CR/LF 等）；控制标志影响到 RS-232串行线（忽略调制解调器的状态线、每个字符的一个或两个停止位等）；本地标志影响驱动程序和用户之间的接口（回送的开或关、可视的擦除字符、终端产生的信号的启用以及后台输出的作业控制停止信号等）；有关各个标志的取值可以参考书上的表格。

### 特殊输入字符 ###

![Center 2][]

### 终端设备操作函数 ###

以下先给出终端的操作函数：

/*_______________________________________
     *   函数             说明
     *_______________________________________
     * tcgetattr        获取属性
     * tcsetattr        设置属性
     *_______________________________________
     * cfgetispeed      得到输入速度
     * cfgetospeed      得到输出速度
     * cfsetispeed      设置输入速度
     * cfsetospeed      设置输出速度
     *_______________________________________
     * tcdrain          等待所有输出都被传输
     * tcflow           挂起传输或接收
     * tcflush          刷清未决输入和/或输出
     * tcsendbreak      送BREAK字符
     *_______________________________________
     * tcgetpgrp        得到前台进程组ID
     * tcsetpgrp        设置前台进程组ID
     * tcgetsid         得到控制TTY的会话首进程的进程组ID
     *_______________________________________
     *
     */

针对这些终端操作函数进行分类讨论：

#### 终端属性 ####

可以通过以下两个函数获取和设置终端属性，该属性结构是 termios 结构，有了终端属性方便进一步的操作，其定义如下：

/*
     * 函数功能：获取和设置终端属性；
     * 返回值：若成功则返回0，出错则返回-1；
     * 函数原型：
     */
    #include <termios.h>
    
    int tcgetattr(int filedes, struct termios *termptr);/* 获取终端属性 */
    
    int tcsetattr(int filedes, int opt, const struct termios *termptr);/* 设置终端属性 */
    /*
     * 说明：
     * filed是终端设备描述符；
     *
     * opt参数可以指定为以下的值：
     * TCSANOW          更改立即生效；
     * TCSADRAIN        发送所有输出后更改才发生，若更改输出参数则应该使用此选项；
     * TCSAFLUSH        发送所有输出后更改才发生，更进一步，在更改发生时未读的所有输入数据都被删除；
     */

测试程序：

#include "apue.h"
    #include <termios.h>
    
    int main()
    {
        struct termios term;
        //获取termios结构
        if(tcgetattr(STDIN_FILENO,&term) < 0)
            err_sys("tcgetattr error");
        switch(term.c_cflag & CSIZE)
        {
        case CS5:
            printf("5 bits/byte\n");
            break;
        case CS6:
            printf("6 bits/byte\n");
            break;
        case CS7:
            printf("7 bits/byte\n");
            break;
        case CS8:
            printf("8 bits/byte\n");
            break;
        default:
            printf("Unknown bityes/byte\n");
        }
        term.c_cflag &= ~CSIZE;   //字符长度清0
        term.c_cflag |= CS5;          //设置为8 bites/byte
        if(tcsetattr(STDIN_FILENO,TCSANOW,&term) < 0)
            err_sys("tcsetattr error");
        exit(0);
    }

输出结果：

8 bits/byte

#### 波特率函数 ####

/*
     * 函数功能：获取和设置终端波特率；
     * 函数原型：
     */
    #include <termios.h>
    /* 返回值：若成功则返回波特率值 */
    speed_t cfgetispeed(const struct termios *termptr);/* 获取输入波特率 */
    
    speed_t cfgetospeed(const struct termios *termptr);/* 获取输出波特率 */
    /* 返回值：若成功则返回0，出错则返回-1；*/
    int cfsetispeed(struct termios *termptr, speed_t speed);/* 设置输入波特率 */
    
    int cfsetospeed(struct termios *termptr, speed_t speed);/* 设置输出波特率 */

#### 行控制函数 ####

/*
     * 函数功能：终端设备的行控制；
     * 返回值：若成功则返回0，若出错则返回-1；
     * 函数原型：
     */
    #include <termios.h>
    
    int tcdrain(int filedes);
    int tcflow(int filedes, int action);
    int tcflush(int filedes, int queue);
    int tcsendbreak(int filedes, int duration);
    /*
     * 说明：
     * action参数取值如下：
     * TCOOFF       输出被挂起；
     * TCOON        重新启动以前被挂起的输出；
     * TCIOFF       系统发送一个STOP字符，将使终端设备暂停发送数据；
     * TCION        系统发送一个START字符，将使终端设备恢复发送数据；
     *
     * queue参数取值如下：
     * TCIFUSH      刷清输入队列；
     * TCOFUSH      刷清输出队列；
     * TCIOFUSH      刷清输入、输出队列；
     */

### 终端标识 ###

下面是一些对控制终端操作的函数，其定义如下：

/* 终端标识 */
    
    /*
     * 函数功能：确定控制终端的名字；
     * 返回值：若成功则返回指向控制终端名的指针，出错则返回指向空字符串的指针；
     * 函数原型：
     */
    #include <stdio.h>
    char * ctermid(char *ptr);
    /*
     * 说明：
     * ptr非null，且指向长度至少为L_ctermid字节的数组，进程的控制终端名存放在该数组中；
     * ptr为null，则该函数为数组分配空间，进程的控制终端名也放在该数组中；
     */
    
    /*
     * 函数功能：控制终端的操作；
     * 函数原型：
     */
    #include <unistd.h>
    int isatty(int filedes);
    /* 返回值：若为终端设备则返回1（真），否则返回0（假）*/
    
    char *ttyname(int filedes);
    /* 返回值：指向终端路径名的指针，若出错则返回NULL */

下面程序是测试控制终端的信息：

#include "apue.h"
    #include <termios.h>
    static char ctermid_name[L_ctermid];
    char *Mctermid(char *str)
    {
        if(str == NULL)
            str = ctermid_name;
        return (strcpy(str,"/dev/tty"));
    }
    int main()
    {
        char tername[50];
        char *name;
        ctermid(tername);
        printf("terminate name is: %s\n", tername);
    
        Mctermid(tername);
        printf("Mterminate name is: %s\n", tername);
        printf("Test isatty...\n");
        printf("fd 0 is: %s\n",isatty(0)? "tty" : "not a tty");
        printf("fd 1 is: %s\n",isatty(1)? "tty" : "not a tty");
        printf("fd 2 is: %s\n",isatty(2)? "tty" : "not a tty");
        printf("Test ttyname...\n");
        if(isatty(0))
        {
            name = ttyname(0);
            if(name == NULL)
                name ="undefined";
        }
        else
            name = "not a tty";
        printf("fd 0 :%s\n", name);
        if(isatty(1))
        {
            name = ttyname(1);
            if(name == NULL)
                name ="undefined";
        }
        else
            name = "not a tty";
        printf("fd 1 :%s\n",name);
        if(isatty(2))
        {
            name = ttyname(2);
            if(name == NULL)
                name ="undefined";
        }
        else
            name = "not a tty";
        printf("fd 2 :%s\n",name);
        exit(0);
    }

输出结果：

./tty < /dev/console 2> /dev/null
    terminate name is: /dev/tty
    Mterminate name is: /dev/tty
    Test isatty...
    fd 0 is: tty
    fd 1 is: tty
    fd 2 is: not a tty
    Test ttyname...
    fd 0 :/dev/console
    fd 1 :/dev/pts/1
    fd 2 :not a tty

### 终端的窗口大小 ###

内核为每个终端和伪终端保存了一个窗口大小结构 winszie，

1.  用 ioctl 函数的 TIOCGWINSZ 命令可以获取此结构的当前值；
2.  也可以通过 ioctl 的 TIOCSWINSZ 命令可以将此结构体的新值存放到内核中，如果新值与存放在内核中的当前值不同，则会向前台进程组发送 SIGWINCH 信号，系统对此信号的默认处理是忽略该信号；
3.  当前终端窗口大小发生变化时，也会产生 SIGWINCH 信号；

/* 终端的窗口大小 */
    
    /* 窗口大小的结构体 */
    struct winsize
    {
        unsigned short ws_row;      /* row, in characters */
        unsigned short ws_col;      /* columns, in characters */
        unsigned short ws_xpixel;   /* horizontal size, pixels (unused) */
        unsigned short ws_ypixel;   /* vertical size, pixels (unused) */
    };

下面程序实现打印当前终端的窗口大小：

#include "apue.h"
    #include <termios.h>
    #include <sys/ioctl.h>
    #include <signal.h>
    
    static void pr_winsize(int fd)
    {
        struct  winsize size;
        if(ioctl(fd,TIOCGWINSZ,(char *)&size) < 0)
            err_sys("ioctl error");
        printf("%d rows, %d columns\n", size.ws_row, size.ws_col);
    }
    static void sig_winch(int signo)
    {
        printf("SIGWINCH received\n");
        pr_winsize(STDIN_FILENO);
    }
    int main()
    {
        if(isatty(STDIN_FILENO) == 0)
        {
            printf("STDIN_FILENO is not terminate device.\n");
            exit(1);
        }
        if(signal(SIGWINCH, sig_winch) == SIG_ERR)
            err_sys("signal error");
        pr_winsize(STDIN_FILENO);
        for( ; ;)
         pause();
    }

输出结果：

/* 改变终端的窗口大小时会发送信号 SIGWINCH */
    24 rows, 80 columns
    SIGWINCH received
    24 rows, 79 columns
    ^C

参考资料：

《UNIX高级环境编程》

[Center]: /images/20220810/d5ddae5b14ba449e8a7c5e902d5c4e8b.png
[Center 1]: /images/20220810/22ce629816704e7b99d60b7834137ddb.png
[Center 2]: /images/20220810/5f3d6a698c2a442796e04c07885d5338.png