0x01 問(wèn)題演示

下面是用rust寫(xiě)的一段測(cè)試程序，邏輯非常簡(jiǎn)單，就是讀取用戶輸入，然后將其輸出。

運(yùn)行這個(gè)程序，然后按Ctrl-C：

由上圖可見(jiàn)，該程序沒(méi)有收到任何輸入，當(dāng)然也沒(méi)有任何輸出，這個(gè)程序就退出了。

為什么Ctrl-C會(huì)導(dǎo)致當(dāng)前運(yùn)行程序退出呢？

0x02 程序退出原因

上面的測(cè)試程序之所以會(huì)退出，是因?yàn)镃trl-C會(huì)告訴linux內(nèi)核，讓其發(fā)送SIGINT信號(hào)給當(dāng)前運(yùn)行程序，該信號(hào)的默認(rèn)行為是殺掉目標(biāo)進(jìn)程，所以就有了上面的現(xiàn)象。

但是，SIGINT信號(hào)，以及其他的各種信號(hào)，都是可以捕獲的，這樣我們就可以修改信號(hào)的默認(rèn)行為，比如將SIGINT信號(hào)的默認(rèn)行為，修改成輸出一些日志，而不是殺掉當(dāng)前進(jìn)程。

將上面的測(cè)試代碼改成下面的樣子：

上圖中我們捕獲了SIGINT信號(hào)，并且在收到該信號(hào)后，輸出 got SIGINT。

運(yùn)行看下：

這次再按Ctrl-C，程序就不會(huì)退出了，而且還會(huì)輸出 got SIGINT。

由上可見(jiàn)，Ctrl-C導(dǎo)致程序退出，確實(shí)是因?yàn)樵摪存I使內(nèi)核發(fā)送了SIGINT信號(hào)到目標(biāo)進(jìn)程，進(jìn)而導(dǎo)致目標(biāo)進(jìn)程被殺死。

那為什么Ctrl-C會(huì)觸發(fā)SIGINT信號(hào)呢？

在回答這個(gè)問(wèn)題之前，我們要先了解下terminal emulator，即終端模擬器，的運(yùn)行機(jī)制。

0x03 Terminal Emulator的運(yùn)行機(jī)制

我當(dāng)前使用的terminal emulator為 alacritty，后面如果涉及到terminal emulator的源碼分析，就是基于這個(gè)項(xiàng)目。

當(dāng)然，以下講的terminal emulator的運(yùn)行機(jī)制，對(duì)于其他terminal emulator也同樣適用。

當(dāng)我們?cè)趫D形化界面，打開(kāi)一個(gè)terminal emulator時(shí)，terminal emulator會(huì)調(diào)用openpty函數(shù)，向linux內(nèi)核申請(qǐng)一個(gè)pty數(shù)據(jù)通道，當(dāng)該pty數(shù)據(jù)通道創(chuàng)建成功后，linux內(nèi)核會(huì)返回兩個(gè)文件描述符，即兩個(gè)fd，給terminal emulator，這兩個(gè)fd，就代表了新創(chuàng)建pty數(shù)據(jù)通道的兩端，分別為master端和slave端。

當(dāng)向master端的fd寫(xiě)數(shù)據(jù)時(shí)，該數(shù)據(jù)就可以從slave端的fd讀出來(lái)，當(dāng)向slave端的fd寫(xiě)數(shù)據(jù)時(shí)，該數(shù)據(jù)就能從master端的fd讀出來(lái)。

當(dāng)pty數(shù)據(jù)通道創(chuàng)建完畢后，terminal emulator就會(huì)調(diào)用fork函數(shù)，啟動(dòng)一個(gè)子進(jìn)程，該子進(jìn)程用來(lái)運(yùn)行shell程序，比如bash、zsh等，同時(shí)會(huì)將該shell的標(biāo)準(zhǔn)輸入，標(biāo)準(zhǔn)輸出，標(biāo)準(zhǔn)錯(cuò)誤輸出，都設(shè)置為上面通過(guò)openpty函數(shù)獲取的slave端的fd。

shell在啟動(dòng)成功后，會(huì)一直等待著從標(biāo)準(zhǔn)輸入，即slave fd，里接收要執(zhí)行的命令。

當(dāng)terminal emulator啟動(dòng)成功后，我們就可以在其內(nèi)部輸入命令了，我們輸入的命令，會(huì)被terminal emulator寫(xiě)入到master fd里，這樣在shell子進(jìn)程中，就可以通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)輸入，即slave fd，接收到這個(gè)命令，并開(kāi)始執(zhí)行。

shell在執(zhí)行接收到的命令時(shí)，也是通過(guò)fork函數(shù)，創(chuàng)建一個(gè)子進(jìn)程，然后在子進(jìn)程里執(zhí)行該命令對(duì)應(yīng)的程序。

不過(guò)，這里需要注意的是，子進(jìn)程中運(yùn)行的命令程序，其標(biāo)準(zhǔn)輸入，標(biāo)準(zhǔn)輸出、標(biāo)準(zhǔn)錯(cuò)誤輸出都是繼承自shell，即它的標(biāo)準(zhǔn)輸入，標(biāo)準(zhǔn)輸出、標(biāo)準(zhǔn)錯(cuò)誤輸出的值都是slave fd。

這樣，當(dāng)命令程序?qū)懭罩镜綐?biāo)準(zhǔn)輸出時(shí)，其實(shí)際上是寫(xiě)到了slave fd里，如此，在terminal emulator里，就可以通過(guò)master fd，讀取到這些日志信息，并在terminal emulator里顯示出來(lái)。

同樣的道理，當(dāng)我們此時(shí)在terminal emulator里輸入內(nèi)容時(shí)，該內(nèi)容會(huì)被terminal emulator寫(xiě)入到master fd，進(jìn)而就可以被命令程序進(jìn)程，從標(biāo)準(zhǔn)輸入，即slave fd，里讀出來(lái)。

這里大家可能會(huì)有個(gè)疑問(wèn)，即shell進(jìn)程和當(dāng)前運(yùn)行的命令程序進(jìn)程，他們的標(biāo)準(zhǔn)輸入都是slave fd，那為什么我們寫(xiě)入到terminal emulator里的內(nèi)容，是被命令程序進(jìn)程讀出來(lái)，而不是被shell進(jìn)程讀出來(lái)呢？

這個(gè)就涉及到terminal emulator使用權(quán)的概念了。

當(dāng)shell進(jìn)程剛啟動(dòng)成功后，terminal emulator的使用權(quán)自然是shell的，此時(shí)我們?cè)趖erminal emulator里輸入的內(nèi)容，會(huì)被shell從標(biāo)準(zhǔn)輸入，即slave fd，里讀出來(lái)。

當(dāng)shell啟動(dòng)一個(gè)子進(jìn)程，并用該進(jìn)程運(yùn)行命令程序時(shí)，它會(huì)把terminal emulator的使用權(quán)，轉(zhuǎn)交給該命令程序進(jìn)程，此時(shí)我們?cè)趖erminal emulator里輸入的內(nèi)容，會(huì)被該命令程序進(jìn)程從它的標(biāo)準(zhǔn)輸入，即slave fd，里讀出來(lái)的。

當(dāng)該命令程序進(jìn)程退出后，linux內(nèi)核會(huì)通知shell進(jìn)程，告知它啟動(dòng)的子命令進(jìn)程已經(jīng)結(jié)束了，此時(shí)shell會(huì)把terminal emulator的使用權(quán)轉(zhuǎn)回給自己，進(jìn)而shell又可以開(kāi)始從terminal emulator接收新的命令了。

下面我們來(lái)看一些具體的例子：

上圖是用ps命令輸出的信息，看圖中的選中行，第一行為alacritty進(jìn)程，即我們最開(kāi)始啟動(dòng)的terminal emulator，第二行為alacritty啟動(dòng)的子進(jìn)程，在該子進(jìn)程中，運(yùn)行的是bash程序，第三行為bash啟動(dòng)的子進(jìn)程，在該子進(jìn)程中，運(yùn)行的是我們文章最開(kāi)始時(shí)使用的測(cè)試程序hello。

這三個(gè)進(jìn)程的層級(jí)關(guān)系，和我們上面的描述是一致的。

我們?cè)賮?lái)看下alacritty啟動(dòng)bash子進(jìn)程的相關(guān)代碼：

上圖中make_pty函數(shù)內(nèi)會(huì)調(diào)用openpty函數(shù)獲取master fd和slave fd，在獲取到master fd和slave fd后，slave fd被賦值到builder的stdin, stdout, stderr里，這樣，在下面執(zhí)行builder.spawn函數(shù)啟動(dòng)shell子進(jìn)程時(shí)，其標(biāo)準(zhǔn)輸入、標(biāo)準(zhǔn)輸入、標(biāo)準(zhǔn)錯(cuò)誤輸出就都指向slave fd了。

另外，在上圖中，master fd被保存到了Pty里，并和其他信息一起返回給該函數(shù)的調(diào)用方，這樣，alacritty如果想要發(fā)送數(shù)據(jù)給shell時(shí)，就從Pty里獲取到master fd，然后將數(shù)據(jù)寫(xiě)入到master fd里就好了。

0x04 Ctrl-C是如何處理的

上面我們講過(guò)，我們?cè)趖erminal emulator中輸入的內(nèi)容，會(huì)被terminal emulator寫(xiě)到內(nèi)核的pty數(shù)據(jù)通道中，進(jìn)而這些數(shù)據(jù)會(huì)被轉(zhuǎn)發(fā)給shell進(jìn)程，或者是在shell中運(yùn)行的子進(jìn)程。

那在terminal emulator里按Ctrl-C，也是這么處理的嗎？

首先，Ctrl-C確實(shí)是被當(dāng)作一個(gè)字符來(lái)處理的，且terminal emulator在接收到這個(gè)字符后，會(huì)直接寫(xiě)入到內(nèi)核的pty數(shù)據(jù)通道，并不做特殊處理。

但是，在內(nèi)核的pty數(shù)據(jù)通道里，有一個(gè)組件叫做 line discipline，它會(huì)檢查要被傳輸?shù)淖址绻址髦邪珻trl-C，它就會(huì)把Ctrl-C這個(gè)特殊字符從字符流中移除掉，并生成一個(gè)SIGINT信號(hào)，發(fā)送給目標(biāo)進(jìn)程。

如果目標(biāo)進(jìn)程沒(méi)有捕獲該信號(hào)，內(nèi)核就會(huì)執(zhí)行該信號(hào)的默認(rèn)行為，即殺掉目標(biāo)進(jìn)程。

以下是生成SIGINT信號(hào)的內(nèi)核代碼：

上圖中，光標(biāo)所在行就是在判斷該字符是否是Ctrl-C，如果是，則發(fā)送SIGINT信號(hào)給目標(biāo)進(jìn)程。

由上圖我們還可以看到，其實(shí)不止Ctrl-C這個(gè)特殊字符會(huì)轉(zhuǎn)化成信號(hào)，QUIT字符Ctrl-，SUSP字符Ctrl-Z等，都會(huì)被轉(zhuǎn)化成對(duì)應(yīng)的信號(hào)。

0x05 精致全景圖

以上講了很多理論，下面我們來(lái)畫(huà)一幅圖，來(lái)梳理下完整流程。

首先，在terminal emulator啟動(dòng)成功后，我們?cè)谄渲休斎?/hello命令，該命令沿著terminal emulator中的第一個(gè)輸出箭頭，即第一條虛線，經(jīng)由內(nèi)核pty數(shù)據(jù)通道，到達(dá)bash進(jìn)程的stdin。

然后，bash從標(biāo)準(zhǔn)輸入中讀取到要執(zhí)行的命令./hello，fork一個(gè)新的子進(jìn)程，并在子進(jìn)程中開(kāi)始執(zhí)行hello程序，此時(shí)bash也把terminal emulator的使用權(quán)交給了hello進(jìn)程。

hello程序在開(kāi)始運(yùn)行后，就嘗試從標(biāo)準(zhǔn)輸入中讀取數(shù)據(jù)。

接著，我們?cè)趖erminal emulator中再輸入hello world，該數(shù)據(jù)會(huì)沿著terminal emulator中的第二個(gè)輸出箭頭，即第一條實(shí)線，經(jīng)由pty數(shù)據(jù)通道，到達(dá)hello進(jìn)程的stdin。

hello進(jìn)程從標(biāo)準(zhǔn)輸入中讀到hello world字符串，然后直接將其寫(xiě)入到了標(biāo)準(zhǔn)輸出，該數(shù)據(jù)又經(jīng)由內(nèi)核pty數(shù)據(jù)通道，到達(dá)terminal emulator的master fd端。

terminal emulator從master fd中讀取到hello world字符串，并將其顯示在界面中。

hello進(jìn)程在寫(xiě)完hello world字符串后，自己主動(dòng)退出，bash檢測(cè)到hello進(jìn)程退出后，又把terminal emulator的使用權(quán)轉(zhuǎn)回給自己。

bash寫(xiě)命令提示符>到標(biāo)準(zhǔn)輸出，該數(shù)據(jù)再經(jīng)由pty數(shù)據(jù)通道到達(dá)terminal emulator的master fd端。

terminal emulator從master fd中讀取到bash的命令提示符，并將其顯示在界面上，提示用戶可以輸入下一條命令了。

以上就是在terminal emulator中執(zhí)行hello程序的完整流程。

從上圖中我們還可以看到，假設(shè)我們?cè)趖erminal emulator中按Ctrl-C，該數(shù)據(jù)在到達(dá)內(nèi)核pty數(shù)據(jù)通道時(shí)，line discipline組件會(huì)將其轉(zhuǎn)換成SIGINT信號(hào)，并發(fā)給目標(biāo)進(jìn)程。

這個(gè)也解答了我們此篇文章的疑問(wèn)，現(xiàn)在你應(yīng)該豁然開(kāi)朗了吧。

另外，內(nèi)核中 line discripline 組件的能力也是可以被修改的，比如我們可以修改成按Ctrl-B觸發(fā)SIGINT信號(hào)，甚至是直接關(guān)閉SIGINT信號(hào)的生成，具體方式，可以查看stty命令的man文檔。

審核編輯：劉清