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File metadata and controls

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tty 到底是什么

本文多次使用 QEMU 和 FlameGraph 做实验，相关的使用可以参考其他文档，或者我的blog

一些让我疑惑的事情

"最小"的内核配置为什么需要 tty 模块

Building a tiny Linux kernel 中描述构建最小内核镜像的方法， 通过 make tinyconfig 可以将几乎所有的内核选项关掉，但是为了能够使用终端，需要打开 tty 模块。

运行一个 Hello World 为什么大多数时间都不是在执行 Hello World

运行一个简单1的 Hello World ，可以使用 火焰图 简单的看一下 CPU 的大多数时间在干什么。

drawing

在一个新的 tab 中查看大图

可以发现，除了 Hello World 程序 (a.out) 之外，还发现 alacritty 和 tmux 占用来不少时间，这是因为我首先启动一个 alacritty，然后在其中运行 tmux ，在 tmux 中运行的 Hello World 。

上古时代如何使用 tty

在上古时期，计算机非常昂贵，还没有显示器，软件工程师在 console 上操作，通过 serial 将命令发送给在空调房子里面的庞然大物。

drawing

from https://www.ibm.com/ibm

交互的示意图大概是这个样子的:

drawing

from https://www.linusakesson.net/programming/tty/

其中的 line discipline 就是负责简单的编辑功能，例如 Ctrl-w 可以删除一个单词的行为，那么为什么这个行为不是 Bash 来负责的?

因为 Bash 是用户态程序，用户每次按下一个字符如果发送给用户态程序，那么意味着每一个字符都需要进行内核和用户态的上下文切换，将字符编辑功能放到内核中，可以让处理一个字符的路径更短。 只有当用户按下 Enter 或者缓冲区溢出的时候，才需要将从 serial 发送的命令传递给用户态程序 Bash 。

实际上，在现代的机器上，也是可以找到的串口的，不过一般都是调试作用，下图是 LoongArch 3A5000 机箱背后的串口。

drawing

如果在买一个串口转 usb ，将串口插到 LoongArch 3A5000 的串口上，然后 usb 的那一头插到另一台电脑上（例如 x86 电脑），并且在 x86 电脑上执行:

minicom -D /dev/ttyUSB0

那么在 x86 中 minicom 启动一个 LoongArch 的 shell 出来，从而可以使用 x86 电脑调试 LoongArch 电脑。

使用 -serial mon:stdio 参数启动 QEMU，也就是用 Host 的标准输入输出来模拟 Guest 的串口，Guest 的串口可以通过 /dev/ttyS0 来访问:

  1. 如果向 /dev/ttyS0 中 echo，那么 Host 中的终端会显示对应的结果。
  2. 如果 cat /dev/ttyS0 ，那么 Host 中的终端输入的内容会在其中显示。

演示效果如下:

当进行 echo aaa > /dev/ttyS0 的时候，在 gdb 中可以看到内核中的调用过程:

  • 系统调用
    • do_syscall_64
    • do_syscall_x64
  • vfs (Virtual File System)
    • ksys_write
    • vfs_write
    • vfs_write
    • new_sync_write
  • tty core
    • call_write_iter
    • file_tty_write
    • do_tty_write
  • line discipline
    • n_tty_write
    • process_output_block
  • serial
    • uart_write
  • uart
    • serial8250_start_tx

在上面的流程中，设计多次选择不同的 ops 的:

static const struct file_operations tty_fops // <---- tty_fops ，当打开 /dev/ttyS0 这个文件，其 IO 操作最后会调用此处

static const struct tty_operations uart_ops  // <------ 选择 tty 的具体实现，如果是物理 serial，那么选择这个，如果是 pty 那就是 pty_unix98_ops

static const struct uart_ops serial8250_pops  // <------ uart 有 8250 和 16550 等信号

在内核中，drivers/tty/n_tty.c 中搜索符号 WERASE_CHAR，这就是处理 Ctrl-w 的相关代码。

最后，回答一下我之前的疑惑，为什么一个"最小"的内核配置需要添加上 tty 模块的，因为这个内核是最小的，没有其他的各种设备，例如显示器，键盘之类的， 但是可以另一台电脑上，通过串口连接，和这个"最小"的内核交互。交互的过程和上古时期的计算机流程上没有区别，唯一不同的是， 上古时期是通过硬件 console 发送命令，现在是另一台计算机上的 minicom 加上 usb 转串口线发送命令。

在如今的计算机上还保留 serial，主要为了调试内核程序，serial 非常的简单，稳定可靠，容易初始化，编程，有了 serial，内核就有了 printf 了。

现代计算机实现 tty

现代的计算机非常快，有 4k 显示器，有 x11 之类的桌面系统，有鼠标，已经不要通过 console serial 连接空调房子里面的大家伙， 那么我们平时的使用终端的过程工作原理是怎么样子的?

build-your-own-x 中找到了这个教程:

https://www.uninformativ.de/blog/postings/2018-02-24/0/POSTING-en.html

其中的源码非常容易阅读，以下假设你已经阅读过了。我总结了 eduterm 的基本执行流程如下:

现代计算机实现 tty 是兼容了上古时期的 tty 的，但是其无需和具体的 serial 打交道。

通过上面的火焰图可以验证想法，将我们关心的部分重新截图一下:

drawing

在一个新的 tab 中查看清晰图

我们发现，这个调用图路线中，一直到 n_tty_write 还是上一章中的 backtrace 是相同的， 但是之后调用的是 pty_write 而不是 uart_write，因为现在的设备无需使用硬件 serial 来实现，而是使用的 pseudo terminal 。

内核中定义了如下内容来实现 pty 。

static const struct tty_operations ptm_unix98_ops = { //   /dev/ptmx 也就是 pty master 的操作
static const struct tty_operations pty_unix98_ops = { //   /dev/pts/[0-n] 的 pty slave 的操作

所以，第二个疑惑就可以解开了，虽然 printf 的确会消耗一些 CPU，那么输出工作都是 terminal emulator 和 tmux 负责的， tty 交互实际上更加消耗 CPU 。好在现代的 CPU 足够快，输出到屏幕上的信息已经远远超过人的分析能力，

一些其他疑惑的解答

tty 如何实现的

➜  vn git:(master) ✗ strace tty
ioctl(0, TCGETS, {B38400 opost isig icanon echo ...}) = 0
fstat(0, {st_mode=S_IFCHR|0620, st_rdev=makedev(0x88, 0x2), ...}) = 0
readlink("/proc/self/fd/0", "/dev/pts/2", 4095) = 10
stat("/dev/pts/2", {st_mode=S_IFCHR|0620, st_rdev=makedev(0x88, 0x2), ...}) = 0
fstat(1, {st_mode=S_IFCHR|0620, st_rdev=makedev(0x88, 0x2), ...}) = 0
write(1, "/dev/pts/2\n", 11/dev/pts/2
)            = 11

是通过读取 /proc/self/fd/0 软链接指向谁.

stty 如何实现的

ioctl(0, TCGETS, {B38400 opost isig icanon echo ...}) = 0
ioctl(1, TIOCGWINSZ, {ws_row=73, ws_col=284, ws_xpixel=0, ws_ypixel=0}) = 0
fstat(1, {st_mode=S_IFCHR|0620, st_rdev=makedev(0x88, 0x2), ...}) = 0
ioctl(0, TIOCGWINSZ, {ws_row=73, ws_col=284, ws_xpixel=0, ws_ypixel=0}) = 0
write(1, "speed 38400 baud; rows 73; colum"..., 50speed 38400 baud; rows 73; columns 284; line = 0;

通过 ioctl 实现，在内核中对应的位置在这里:

static const struct file_operations tty_fops = {
    .unlocked_ioctl = tty_ioctl,
};

/dev/tty0 /dev/tty[1-63] /dev/tty 都是什么

/dev/tty[0-63] 是 virtual terminal (VT) 或 virtual console, Ctrl+Alt+Fn[1-n] 来打开 VT，Alt-Fn[1-n] 来切换，其中 /dev/tty0 指当前 VT

在内核中，VT 的实现位置在 drivers/tty/vt/ ，和使用 serial 相比，vt 使用的是 keyboard + vga 的实现方式 和 pseudo terminal 相比，这里完全绕过来用户态的图形栈，例如 x11

/dev/tty is kind of an alias to the console (physical, virtual or pseudo device, if any) associated to the process that open it.

在 terminal emulator 中 echo aaa > /dev/tty0 没有任何回应，而在任意一个 VT 中，echo aaa > /dev/tty0 都是显示 aaa。 无论是在 terminal emulator 还是 VT 中，echo aaa > /dev/tty 都可以得到 aaa

本节参考 https://unix.stackexchange.com/questions/60641/linux-difference-between-dev-console-dev-tty-and-dev-tty0

tmux 是如何实现的

如果理解了 eduterm ，tmux 的大致原理可以猜测到。在 eduterm 中只是管理一组 master 和 slave, 而 tmux 可以管理多组 master 和 slave ，下面是我唯一找到的一个参考:

https://www.quora.com/How-do-I-understand-the-tmux-design-architecture-and-internals

关键参考

扩展阅读

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Footnotes

  1. 为了让 Hello World 程序更加明显，最好是循环输出多次，例如 100000 。 ↩