当你打开终端并输入命令时会发生什么?(上)

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所属分类:linux技术
摘要

哈喽大家好,我是咸鱼参加过校招面试的小伙伴们肯定对下面这道面试题很熟悉:“当你在浏览器输入一段网址后会发生什么?”。这道面试题可以说是很经典了,因为其涉及大量网络协议,可以非常直观的看出小伙伴们对计算机网络体系的整体把握程度

哈喽大家好,我是咸鱼

参加过校招面试的小伙伴们肯定对下面这道面试题很熟悉:“当你在浏览器输入一段网址后会发生什么?”。这道面试题可以说是很经典了,因为其涉及大量网络协议,可以非常直观的看出小伙伴们对计算机网络体系的整体把握程度

但如果问题换成:“当你打开终端并输入 ls 时会发生什么?”,有多少小伙伴能够回答出来呢?

终端的前世今生

大多数现代终端应用程序的工作方式都来自于其历史前辈——电传打字机(teletypes,简称 tty)

在大型计算机的时代,当时数据存储在磁带上,计算机的内存以 kB 为单位,电传打字机就是为了它们而被设计出来

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如上图,左边的是 IBM 2741电传打字机,右边是 IBM System/360 Mo. 40大型计算机

电传打字机是允许用户与计算机交互的基本文本客户端。teletypes 其实是 teletypewriter的缩写,因为它是从打字机(typewriters)演变过来的

如上图所示,电传打字机和大型计算机通过连接两端的物理线来进行通信。沟通过程如下:

  • 当用户从电传打字机输入时,ASCII 文本将一个字符一个字符地通过网络传输
  • 计算机的内核接收字符并对其进行解码
  • 接着字符被送到一个名为 TTY driver 的驱动程序,这里负责将输入发送到用户程序并收集输出
  • 最后,内核将输出发送回电传打字机 ,以便显示给用户

需要提到的一点是 line discipline(行规则),它会将字符缓冲到内核内存中,直到按下 Enter” 键,程序才会接收到输入

line discipline 允许这块缓冲区是可编辑的,并提供了一些与程序无关的快捷键(例如 ctrl-w)

这在当时是一项重要的性能优化,因为让程序员一个字符一个字符的处理是非常低效的

随着计算技术的进步,这些独立组件中的许多都实现了现代化。比如说电传打字机被终端所取代,终端是完全电子的机器,包括电子显示器
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上图是 DEC 于 1978 年发布的 VT100 终端机(VT = video terminal),它实现并推广了至今仍在使用的 ANSI 转义码

随着电子终端的诞生,出现了越来越多的功能(例如颜色、铃声)。但本质上跟电传打字机完全相同——发送输入字符流并显示输出

现如今人人都有一台自己的电脑,这些电脑的操作系统可以监督许多应用程序,终端不再是专门的硬件,而是变成了这些应用程序中的一个
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与典型的 GUI 应用程序一样,终端是操作系统监督下的一个进程,它监听来自用户的事件和输入,并告诉操作系统在窗口中显示什么(终端不直接与外设交互,而是通过驱动程序和窗口管理器)

有时候我们还会听到 ”终端模拟器“ 这个词,而不是简单的称之为 ”终端“。这是因为 ”终端“ 指的是专门的硬件(终端机),而现在大多数的终端只是对该设备的模拟,是一个应用程序

但是我们这里不做区分,”终端模拟器“ 和 ”终端“ 含义一样

那么当我们打开终端时会发生什么呢?

打开终端

上面我们提到过,终端是一个应用程序,能够让你 ”使用你的电脑“(即在上面运行程序)。我们的电脑上可能已经存在了 ls、rm、mv 等程序

但是我们不满足于使用这些简单的命令,我们还希望使用脚本来实现自动化, 这些脚本将许多命令的序列组合在一起,使用分支条件逻辑,运行重复循环或并行化命令等

为了让计算机能够读懂我们的脚本并执行起来,我们需要一个完整的可交互的解释型的编程环境——shell

将其他程序作为进程运行,让操作系统内核读懂你写的脚本,这些工作都由 shell 完成。目前常见的 shell 有 Bash、Zsh 等

终端和 shell 是两个独立的程序:

  • shell 负责解释你输入的命令
  • 终端负责 UI 相关的东西,比如字体、颜色等

当我们打开终端时,终端会根据用户生成一个 shell 进程,以及用户与 shell 之间,用户与 shell 启动的进程之间通信的方法

这个 shell 进程负责解释和执行用户输入的命令,并与用户进行交互。用户在终端输入的命令将通过这个通信通道传递给 shell 进程进行解释执行,并将执行结果反馈给用户显示在终端上

创建 PTY

伪终端设备(PTY)是在计算机操作系统中创建的一个虚拟设备,用于模拟物理终端的功能

在 UNIX、Linux 和类 UNIX 系统中,PTY 用于在用户和程序之间建立一个通信通道,允许用户通过终端会话与程序进行交互

PTY通常由两个主要部分组成:主设备(leader)和从设备(follower)。leader端连接到用户终端,follower端连接到一个或多个程序

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当用户打开终端并启动一个 shell 时,终端模拟器会创建一个 PTY,并将 leader 端连接到用户界面,同时将 follower 端连接到 shell 或其他命令行程序。用户输入的命令通过 leader 端传输到 follower端,follower端执行这些命令并将输出发送回 leader 端,最终显示在用户界面上

在 Unix 中,一切皆文件,这句话指的是 Unix 中的所有东西都有与文件相同的读/写接口。leader 的 fd(文件描述符) 指向内存中的一个缓冲区,而 follower 是一个在磁盘上具有实际路径的字符设备文件。

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上图可以看到,我们打开了两个终端(/dev/pts/0、/dev/pts/1),启动了两个 shell 进程。如果我们在终端1(/dev/pts/1)中敲命令并重定向到终端0(/dev/pts/0),可以看到输出结果是在终端0中显示的

生成 shell

终端会话在启动时可能会为shell创建一个子进程,这个子进程将作为 shell 的实例来执行用户的命令

UNIX 和类 UNIX 系统中,终端会话会使用伪终端设备(PTY)来与 shell 进程进行通信,通过这种方式,终端会话可以读取和写入 shell 的输入、输出和错误输出(fd 0到2)

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shell 初始化

在Linux中,用户打开终端启动 shell 进程时会进行 shell 初始化,这个过程涉及一些配置文件和脚本的执行,用来设置用户的环境和启动 shell 的行为

步骤大致如下:

  1. 读取配置文件:在用户登录时,shell 会读取一系列的配置文件来设置用户的环境变量、别名、函数等。这些配置文件可以包括全局配置文件(例如/etc/profile)和用户特定的配置文件(例如~/.bash_profile~/.bashrc等)
  2. 执行配置命令:配置文件中可以包含各种设置和命令,例如设置环境变量、修改提示符、定义别名和函数等。这些命令会在 shell 启动时执行,以确保在用户登录后设置了所需的环境和行为
  3. 启动shell:一旦执行了配置文件中的命令,shell 就会准备就绪,等待用户的输入。这时,shell 的提示符会出现,等待用户输入命令。